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».
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
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:
– крановое распределение пара и воды с помощью зубчатых передач и использования возвратно-вращательного движения;
– распределение пара для двух рабочих паровых цилиндров;
– питание котла подогретой водой;
– автоматическое питание котла с помощью специального прибора;
– балансирная передача для двухцилиндрового парового двигателя;
– аккумулятор дутья в виде воздушного ларя;
– шарнирные цепи для передаточного механизма.
Стоимость строительства огнедействующей машины составила 5029 рублей. Аналогичная английская паровая машина близкой мощности для водоотлива в Кронштадте, строительство которой велось с 1774 по 1778 год, обошлась в 55882 рублей, то есть в 11 раз дороже.
Паровые машины разных конструкций, в основном для откачивания воды из шахт, в XVIII веке в Англии строили Т. Севери и Т. Ньюкомен, Д. Уатт и М. Болтон, другие изобретатели и предприниматели.
В Петербурге с 1792 года на Матисовом острове работал завод русского инженера и предпринимателя шотландского происхождения Чарльза Берда, на котором с 1800 года производились паровые машины для российских потребителей [8]. Им же в 1815 году был построен первый в России пароход с паровым двигателем собственного производства.
Рис. 2. Изобретатель паровых машин, инженер, механик и предприниматель Чарльз Берд (1766–1843)
Идеи по организации эффективных тепловых циклов, в том числе с когенерацией, возникли задолго до их практического применения.
Значительный вклад в развитие теплоэнергетики в России в конце XVIII – начале XIX века сделала группа барнаульских паротехников. Со ссылкой на материалы Алтайского краевого государственного архива результаты их деятельности подробно изложены в работах Н. Я. Савельева [9] и В. В. Данилевского [10].
Так как чертежи английских паровых машин были недоступны, барнаульским мастерам приходилось опираться на опыт Ползунова и собственные разработки. Ими были выстроены новые паровые машины в г. Нерчинске в 1793 г. (строитель М. С. Паулин), на Гумишевском медном руднике в 1799 году, на Петровском железоделательном заводе Нерчинского округа (1810–1818, строитель С. В. Литвинов), на Верх-Исетском заводе Яковлева (строитель А. С. Вяткин, 1815), на военном арсенале в Петербурге (строитель Н. Г. Смирнов, 1810), на арсенале в Варшаве (Н. Г. Смирнов, 1821–1823).
В 1806–1807 гг. при поддержке начальника Колываново-Воскресенских заводов В. С. Чулкова изобретатель П. М. Залесов выстроил действующую модель первой паровой турбины, призванной заменить конный привод на рудниках и являющейся альтернативой поршневым паровым цилиндрическим машинам. Паровой котел был деревянным с железной крышкой для предотвращения прогорания котла. Пар подавался в межперьевое пространство деревянного рабочего колеса, аналогичного по конструкции водяному колесу. Проект большой паровой машины должен был заменить работу 100 человек и 120 лошадей. Однако он не был осуществлен в связи с тем, что новый начальник Колываново-Воскресенских заводов К. К. Вер отдал предпочтение современным заграничным конструкциям паровых машин.
Одним из самых ранних выдающихся и талантливых изобретателей был барнаулец, паротехник Степан Васильевич Литвинов, работавший на Нерчинских заводах в первой четверти XIX века [9]. 14 июля 1820 года он подал на рассмотрение начальству проект оригинальной паровой машины, отличающейся от европейских конструкций. Проект был передан на изучение в Кабинет ЕИВ, так как император в это время являлся владельцем Нерчинских заводов.
В судьбе Литвинова роковую роль сыграли события, связанные с каторжными работами сосланных в Нерчинский округ декабристов[2]. В 1830 году в Петровский завод из Читы перевели декабристов, где до этого в течение двух лет для них строили тюрьму. Поэтому во второй половине 20-х годов к Петровскому заводу было приковано самое пристальное внимание со стороны властей. С. В. Литвинова 19 июля 1825 года назначили начальником Петровского завода. 14 сентября 1827 года он был арестован в связи с недонесением на незаконные действия политического характера бывшего управляющего завода Нестерова. В результате Литвинов долгое время находился под следствием, сидел в тюрьме. 14 августа 1829 года был объявлен приговор, по которому комиссией военного суда он был лишен чинов и отдан в горные работники на Колыванские заводы. Все это время он производил улучшения своего проекта паровой машины, новые чертежи отсылались в Петербург. 18 сентября 1829 года в Нерчинск из Кабинета ЕИВ был доставлен последний проект с семью чертежами С. В. Литвинова для рассмотрения на месте техническим руководством с целью определения возможности применения паровых машин на заводах края.