Очерки по истории теплоэнергетики. Часть 1

Очерки по истории теплоэнергетики. Часть 1
Валерий Александрович Петрущенков

Настоящая книга является первой частью, открывающей публикацию серии статей по истории теплоэнергетики. Обсуждаемые события происходили около 100–250 лет назад, поэтому описание первых энергетических источников, производящих электрическую и тепловую энергию, требует обращения к архивным документам и к публикациям тех лет, с помощью которых можно узнать или уточнить технические и хронологические подробности.

В первой части рассмотрен ранний период освоения совместной выработки электрической и тепловой энергии – когенерации. Приводится также детальное описание истории строительства, функционирования и развития электростанции Зимнего дворца, крупнейшей в Европе в момент ее создания.

В следующих выпусках серии планируются публикации по следующим темам: электростанции императорских театров Петербурга и Москвы, первые городские электростанции Петербурга, электростанции дворцов Петербурга и пригородов, первые опыты электрического освещения в Петербурге и Москве, роль офицеров минного класса в распространении электрического освещения, первые электростанции Америки и Европы, первые централизованные энергоисточники, деятельность пионеров теплоэнергетики, другие события, связанные с рождением теплоэнергетики.

Валерий Петрущенков

Очерки по истории теплоэнергетики. Часть 1

© Петрущенков В. А., текст, 2019

© ООО «Страта», оформление, 2019

* * *

Введение

Теплоэнергетика в мире и в России развивалась в течение длительного периода. Так сложилось, что не было «чистой» тепловой энергетики. Она рождалась при переплетении и взаимодействии ряда технических отраслей: котельной техники, тепловых двигателей разного типа в виде паровых машин, двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, динамо-машин и электрогенераторов, электрических ламп дуговых (регуляторов, или вольтовых дуг) и с нитями накала, тепловых и электрических сетей, систем распределения тепловой и электрической энергии, потребляющих тепловую энергию систем отопления, вентиляции, технологических установок.

При этом вначале происходило изобретение конструкций и совершенствование простых циклов тепловых двигателей. Затем повышение эффективности использования топлива достигалось за счет совместного производства механической и тепловой энергии в одной установке, так называемой когенерации. Открытия в области электричества расширили пространство для изобретений и практического применения преобразований энергии органического топлива. Естественным процессом было движение от локальных энергоисточников к централизованным, что потребовало создания и развития способов доставки электрической и тепловой энергии, их распределения и изобретения приборов, потребляющих эти виды энергии. Столь сложные и разнообразные процессы, происходящие на протяжении, как минимум, двух столетий оказалось непросто классифицировать даже с точки зрения приоритетных событий названных направлений и их вклада в развитие теплоэнергетики.

Например, в России долгое время датой рождения теплофикации считалось 25 ноября 1924 года, когда в Ленинграде от 3-й ЛГЭС впервые был проложен теплопровод, подавший горячую воду для работы системы отопления в части здания на набережной реки Фонтанка, дом 96 и для работы систем отопления и горячего водоснабжения корпусов Обуховской больницы. Тепловая энергия по проекту должна была отпускаться от выхлопного пара паровой турбины Лаваля, работавшей на ухудшенном вакууме. Эта система была создана главным инженером 3-й ЛГЭС Леонтием Леонтьевичем Гинтером при непосредственном участии в разработке проекта профессоров Владимира Владимировича Дмитриева и Михаила Викторовича Кирпичева.

Однако в 2003 году с выходом сборника статей «100 лет теплофикации и централизованному теплоснабжению в России» под редакцией В. Г. Семенова, выпущенного издательством «Новости теплоснабжения» [2], произошел пересмотр приоритетов в этой области. С ориентацией на материал, представленный в книге А. И. Орлова «Русская отопительно-вентиляционная техника», М., Государственное издательство строительной литературы, 1950, было предложено считать исходной датой начала теплофикации в России 1903 год, приоритетным объектом первой теплофикационной системы – систему пароводяного отопления 13 корпусов Петербургской городской детской больницы. По сведениям А. И. Орлова автором проекта теплоснабжения был проф. А. К. Павловский, экспертом по проекту и оборудованию блок-станции – проф. В. В. Дмитриев. Названная система отопления работала на смеси отбросного (выхлопного) пара от местной электростанции и острого пара. В корпусах были спроектированы двухтрубные гравитационные системы водяного отопления, работавшие от местных пароводяных бойлеров.

Автор настоящего цикла статей поставил перед собой задачу найти первичные данные, которые бы либо подтверждали произошедшую смену приоритетов в создании теплофикации в России, либо ее уточняли или даже опровергали.

За основу брались современные изучаемым событиям публикации в открытых источниках периодической печати и книгах, материалы государственных архивов, музеев известных исторических предприятий и организаций.

Как выяснилось в процессе работы, проект системы электро- и теплоснабжения корпусов Петербургской городской детской больницы не предполагал когенерацию. Аналогичное уточнение оказалось актуальным и для других знаковых событий, имеющих отношение к истории теплоэнергетики, как в России, так и за рубежом.

Например, в указанном сборнике сообщается, что первая в Европе ТЭЦ Пострассе (Postrasse) в Гамбурге была введена в работу в 1893 году. Знакомство с материалами шведской фирмы Vattenfall, принявшей в наследство энергетику немецкой фирмы Hamburgische Electricit?ts-Werke AG (HEW), создавшей эту ТЭЦ на основе ранее выстроенной электростанции, показывает, что дата должна быть изменена на 1895 год. Кроме того, в [2] ничего не говорится о том, что в американском штате Айова в г. Оттумва еще раньше, в 1889 году, появилась первая в мире теплоэлектроцентраль (ТЭЦ).

Особое значение в истории теплоэнергетики России имеют первые электростанции Санкт-Петербурга. Изучение архивных и других материалов, связанных с созданием и эксплуатацией этих станций, делает этот процесс столь же захватывающим и драматическим, как чтение детективной литературы. Большую роль в процессе поиска первоисточников сыграла диссертация Якова Иосифовича Сенченко, написанная в 1950 году на кафедре «Истории техники» ЛПИ им. М. И. Калинина под руководством проф. Виктора Васильевича Данилевского. Весьма благоприятным и облегчающим процесс работы обстоятельством при поиске первичных материалов оказался тот факт, что практически все необходимые материалы, имеющие отношение к теме, оказались в архивах Санкт-Петербурга: ЦГИА СПб, ЦГА СПб, ЦГА НТД, РГИА, ЦГАКФФД СПб.

Поэтому настоящий сборник статей, издаваемый несколькими частями, можно рассматривать как попытку критического обзора общеизвестных и малоизвестных событий, произошедших в мире, в том числе в России, связанных с теплоэнергетикой и представляющих несомненный интерес как для историков техники, так и для профессиональных энергетиков. Это тем более актуально, что некоторые из них, как будет показано ниже, оказались незаслуженно забытыми либо воспринимаются сегодня в искаженном виде. Автор не отказал себе в удовольствии привести некоторые факты, отражающие исторический фон, на котором происходили интересующие его события. Можно предположить, что основная ценность предлагаемых вниманию читателей очерков состоит в собранных воедино источниках, дающих представление о длительном, сложном и интересном пути развития теплоэнергетики и сопредельных технических отраслей, а также о личностях, сыгравших выдающуюся роль в этих процессах. Выстраивание реальной хронологии основных событий в истории техники является длительным коллективным процессом, поэтому одной из задач настоящего сборника является поиск и сбор оригинального материала, необходимого для достижения этой цели применительно к теплоэнергетике. Новые архивные или иные материалы могут, безусловно, способствовать уточнению деталей каких-то приоритетных и других событий, представляющих всеобщий интерес.

В рамках настоящего сборника планируются публикации частями по следующим темам, связанным с историей теплоэнергетики: ранний период когенерационных технологий, электростанции Зимнего дворца, императорских театров Петербурга и Москвы, дворцов Петербурга и пригородов, других объектов императорского двора, первые опыты электрического освещения, роль офицеров минного класса в распространении электрического освещения, первые электростанции Америки, Европы, роль российских изобретателей в создании и распространении электрического освещения, первые централизованные энергоисточники, электростанции больниц, деятельность пионеров-строителей первых электростанций, критический анализ распространенных ошибок и фейковых сообщений при изложении приоритетных событий в истории теплоэнергетики и другие темы.

Автор выражает искреннюю благодарность следующим лицам, бескорыстно помогавшим ему в работе с первичными материалами: Полесу М. Р. (Германия), Ержениновой П. А., Красильниковой О. А., Тузниковой Е. М. Также автор признателен профессору Зысину Л. В., сотруднику Государственного Эрмитажа Маценкову С. А., к.т.н. Васькину В. В., проектировщику Долгополову А. В. и преподавателям кафедры «Атомной и тепловой энергетики» СПбПУ Петра Великого, проявлявшим постоянный интерес к материалам настоящего сборника.

Ранний период когенерационных технологий

«… оные (паровые) машины не так, как водяные колеса просто и очевидно, умеренною тягостию падающей на них воды, в порядочное приводятся действие, но невидимо, тонким возбуждаются к движению духом и вскоре прежестокие открывают силы».

    И. И. Ползунов

Предисловие

В настоящей статье рассматриваются раритетные события в истории совместного производства механической и тепловой энергии, а также изобретения, которые подготовили их появление.

История теплоэнергетики, в том числе когенерационных технологий, излагается в ряде известных монографий и сборниках [1–6]. Тем не менее некоторые общеизвестные факты нуждаются в уточнении, какие-то события оказались практически забытыми. Ниже приводится информация о первых проектах и промышленных объектах, связанных с когенерацией.

Начиная с XVIII века промышленностью были освоены паровые машины – двигатели внешнего сгорания, состоящие из парового котла, рабочего цилиндра с поршнем, конденсатора выхлопного пара. На их основе в дальнейшем создавалась когенерация – совместное производство механической и тепловой энергии.

Ниже кратко рассмотрены первые уникальные проекты паровых машин в России авторства И. И. Ползунова, заводское изготовление паровых машин в Петербурге на заводе Чарльза Берда, а также теоретические и практические работы по совместному производству механической и тепловой энергии, выполненные пионерами теплоэнергетики во всем мире.

Описание паровых машин зарубежных изобретателей приводится в известных монографиях Ч. Ф. Партингтона, Д. Ф. Араго, Э. Альбана, Т. Тредгольда, Э. Галлоуэя, Ф. Чижова, А. А. Брандта, Р. Р. Тонкова, К. Матчосса, А. А. Радцига.

На сегодня самые первые упоминания о применении когенерации на фабриках в Англии в начале XIX века встречаются в монографии А. И. Орлова [5]. Анализ источника, на который ссылается автор, не подтверждает этот факт, поэтому поиски ранних упоминаний о когенерации в литературе и исторических документах необходимо продолжать.

Изучение периодической и книжной печати конца 20-х годов начала XIX века позволило установить, что первыми когенерацию применили на практике немецкий изобретатель паровых машин и предприниматель Эрнст Альбан и основатели Брюннского завода, производившего паровые машины в Моравии, Фридрих Шолл и Генрих Лутц.

Достаточно неожиданным является факт, что идеи когенерации были заложены в нереализованные проекты барнаульских изобретателей практически в это же время. Идеи, примененные в проектах энергоустановок С. В. Литвинова, почти на столетие опередили их применение на практике. Такой разрыв во времени можно объяснить тем, что в окончательном виде 1-й и 2-й законы термодинамики были сформулированы только к середине XIX века. Анализ хронологии открытия этих законов и интуитивных поисков конструкций изобретателей паровых машин убедительно свидетельствуют о гениальных прозрениях участников этого процесса.

Когенерация в промышленности во 2-й половине XIX века – начале XX века – еще крайне редкое явление. О ней больше говорили и писали, чем применяли на практике. Ниже приводятся ссылки на первые объекты и на авторов, которые рекомендуют ее использование в теплоэнергетике.

Историю создания первых электростанций, в том числе с когенерацией, автор предполагает рассмотреть в отдельных выпусках настоящей серии.

Первые российские паровые машины и проекты циклов высокой эффективности

Иван Ползунов

Первая паровая машина в России была создана Иваном Ивановичем Ползуновым в 1766 году [7]. Проект первой паровой двухцилиндровой паро-атмосферной огнедействующей машины его конструкции расчетной мощностью 2,63 л. с. был рассмотрен Канцелярией Колывано-Воскресенских заводов 25 апреля 1763 года. В целом проект был одобрен, и изобретателю было предложено изготовить опытный образец, после чего построить паровую машину значительно большей мощности для обслуживания 6–12 плавильных печей, а также для откачивания воды на рудниках.

В связи с тем, что в это время Колывано-Воскресенские заводы были собственностью императрицы Екатерины II, проект первой опытной паровой машины мощностью 2,63 л. с. был отправлен на рассмотрение в Кабинет Ее Императорского Величества (ЕИВ). Отзыв от 9 сентября 1763 года на проект дал специалист по горному делу и металлургии И. А. Шлаттер, академик, являвшийся автором трехтомного труда «Обстоятельное описание рудного плавильного дела», в котором приводились рисунки английской паровой машины. На основе положительного отзыва Шлаттера был издан Указ Кабинета ЕИВ от 19 ноября 1763 года, по которому Ползунову увеличивалась зарплата, он повышался в должности, ему была назначена награда в 400 рублей за выполненный проект, предлагалось направить его в Петербург для работы при Академии наук. В то же время в этом указе не было предписания о реализации проекта. Паровая машина мощностью 2,63 л. с. по одобренному Кабинетом ЕИВ проекту не была построена. В этой неопределенной ситуации руководство Канцелярии Колывано-Воскресенских заводов самостоятельно приняло решение строить машину значительно большей мощности.

В 1764 году Ползунов приступил к строительству паровой машины, которая должна была обслуживать воздушные меха 15 металлургических печей. Испытания паровой машины производились при ее работе на 8 печей с 23 мая по 4 июля 1766 года.

Работа паровой машины была признана успешной, но потребовалось выполнение ряда доработок. После их окончания в период с 7 августа по 10 ноября велась промышленная эксплуатация паровой машины при обслуживании печей до тех пор, пока не появилась течь в котле.

Ползунов умер от туберкулеза 16 мая 1766 года за неделю до начала опытных испытаний. Портреты изобретателя не известны.

Рис. 1. Чертеж огнедействующей паровой машины И. И. Ползунова, выполненный им в 1765 году

Оценочная мощность паровой машины, выстроенной Ползуновым, составила 40 л. с. В это время в Англии наибольшую мощность величиной 78 л. с. имел паровой двигатель Т. Ньюкомена.

Следует отметить, что И. И. Ползунов, не имея никакого опыта, создал оригинальные и работоспособные конструкции практически всех узлов паровой машины и парового котла. Ему удалось впервые в мире осуществить следующее:

– создать универсальный двигатель, предназначенный не для подъема воды, а для работы любых промышленных устройств, тре бующих механического привода, в данном случае воздуходувных мехов;

– разработать двухцилиндровый паро-атмосферный двига тель, в котором цилиндры работали попеременно, что позволило вы рабатывать мощность практически непрерывно;

– предусмотреть возможность перенесения двигателя к другим потребителям мощности.

При этом впервые на практике были применены следующие конструктивные решения: