Электростанция без людей

А. РУМЯНЦЕВ

История автоматики ведет свое начало с самых древних времен. Идея создания таких механизмов, которые бы действовали автоматически, занимала человеческие умы еще многие сотни лет назад. Некоторые из автоматов, созданные руками искусных механиков средневековья, сохранились до нашего времени. Среди них есть настоящие шедевры, которые еще долго будут служить примером исключительной точности, чистоты и изящества работы. Таков, например, целый ряд автоматов француза Воконсона, жившего в XVIII веке (1709—1782). Правда, практическая ценность их была невелика, они служили, главным образом, для развлечения. Но в них было вложено много остроумия, подлинного мастерства и изобретательности. Самым замечательным из автоматов Воконсона была механическая утка. Она клевала зерна, пила воду, крякала, двигала головой, чистила перья и даже... выбрасывала из желудка переваренную пищу.

Механическая утка Воконсона. Эта утка плавала, крякала, чистила перышки, еда и даже переваривала пищу. Утка погибла в Нижнем-Новгороде во время пожара

Больше же всего механики работали, да и сейчас работают, над созданием механического человека.

Существует легенда о том, что выдающийся средневековый механик и физик Альбрехт Бельштадский (1193—1280) изобрел механического человека и пользовался им, как слугой. Автомат открывал дверь на стук посетителей и отвечал, дома ли хозяин. Но этот автомат, как повествует легенда, постигла печальная судьба. Один из посетителей, разъяренный «дьявольским» подражанием автомата человеку, набросился на него с палкой и разбил его вдребезги.

Механический человек

Уже в наше время (1928 г.) в Америке даже организовалась компания по изготовлению и эксплуатации механических слуг. Они отвечают на вопросы, разговаривают по телефону, открывают и закрывают двери и даже стреляют из револьвера,

*

За последнее время капитализм проявляет повышенный интерес к разработке новых конструкций механического человека. Удивляться этому не приходится: механические люди не знают усталости. Им не надо платить заработную плату, они не требуют семичасового рабочего дня, не устраивают стачек. Наконец, их можно посылать на войну, не опасаясь, что они повернут штыки против пославших.

Все это идеально совпадает с интересами капиталистов.

С автоматикой соприкасается новая отрасль техники — телемеханика, т. е. управление механизмами на расстоянии. Несмотря на свою незначительную давность, это отрасль техники сделала уже колоссальные успехи.

Телемеханика имеет своей целью автоматизировать управление так, чтобы отпала необходимость в присутствии у механизма управляющего им человека.

Тяжелый бомбовоз взмывает с аэродрома в голубую высь, пролетает сотни километров в строго определенном направлении, сбрасывает бомбы и возвращается обратно. Все это проделывается без непосредственного вмешательства человека. Летчик, или вернее уже не летчик, а диспетчер, управляет самолетом, сидя в мягком, удобном кресле на ближайшей радиостанции.

Диспетчерский пункт управления автоматической гидростанции Сурахомар (Швеция)

Или вот, например: гигантские раковины звукоулавливателей еще издалека, за несколько километров обнаруживают приближающийся самолет противника, автоматически поворачивают стволы зенитных орудий по направлению самолета и открывают по нему стрельбу.

Таковы наиболее типичные примеры из области телемеханики, над которыми сейчас лихорадочно работают империалистические хищники.

В капиталистическом мире есть только одна область, не знающая кризиса, — это военная промышленность. Поэтому неудивительно, что все то новое, что приносит с собой техника, находит применение в первую очередь и, главным образом, в военном деле.

У нас в Советском Союзе автоматика и телемеханика только еще начинают развиваться. Но уже и сейчас им можно предсказать блестящие перспективы, потому что для нас автоматика и телемеханика — это те рычаги, которые позволяют выжать из техники гораздо больше того, что она дает сейчас.

*

Небольшое серое здание Эриванской гидроэлектрической станции (ЭРГЭС 2) заперто на замок. Ни в здании, ни вокруг него нет ни одной живой души. Первая мысль, которая приходит з голову, что станция остановлена на ремонт. Но, подойдя к зданию станции вплотную, мы вдруг совершенно отчетливо слышим характерный гул работающего генератора. Станция работает без людей. Невидимая рука регулирует машины, включает рубильники, контролирует приборы.

Общий вид гидромеханических устройств автоматической ЭРГЭС 2

Это первая в СССР автоматическая гидроэлектрическая станция. Она вступила в строй еще в ноябре 1932 г. С тех пор люди приходят сюда для того, чтобы проконтролировать работу автоматов или произвести какой-нибудь мелкий ремонт, и снова уходят.

Станция построена на реке Занге, обладает мощностью в 3200 л. с. и снабжает электроэнергией промышленность и коммунальное хозяйство г. Эривани. В двух километрах выше ее, на той же реке Занге, построена другая гидроэлектрическая станция (ЭРГЭС 1), но та уже обслуживается нормальным штатом людей. Обе станции работают параллельно на общую сеть.

Между двумя этими станциями протянуто семь сигнальных проводов. По этим проводам и осуществляется все управление автоматической станцией ЭРГЭС 2. Таким образом ЭРГЭС 2 является автоматической станцией с дистанционным управлением. Все управление сосредоточено на ЭРГЭС 1, — это командная станция. Перед двумя распределительными щитами дежурит техник. На щитах измерительные приборы, выключатели, разноцветные лампочки. На одном из щитов сосредоточено все управление соседней автоматической станцией. Все операции по управлению сведены здесь всего лишь к шести кнопкам.

Дежурный нажимает первую кнопку. Тотчас же на автоматической станции начинает работать специальный масляный насос, который подает масло в особый воздушно-масляный напорный бак (виндкессель). С этого начинается пуск автоматической станции. Механизмы управления станции работают с помощью давления масла, созданного в виндкесселе, поэтому от правильной и безотказной работы масляного насоса зависит работа всей станции.

Когда давление в виндкесселе достигает 15 атмосфер, приходит в действие реле «давления масла». Оно замыкает контакты электрической цепи. В результате оживляются током два электромагнита, которые путем пуска масла в соответствующие устройства подготовляют к пуску турбину.

После приключения магнитов к сети через соответствующее реле включается электромотор насоса, который подает масло под давлением в сервомотор. Тогда мотор поднимает щит, открывающий свободный доступ воды в турбину. Но щит приподнимается сначала неполностью. В первый момент он приподнимается всего лишь на 3 сантиметра, чтобы трубопровод, подводящий воду к турбине, заполнился водой. После этого щит поднимается полностью вверх до отказа. В крайнем, верхнем положении щит размыкает контакты в электрической цепи, в результате чего масляный насос останавливается. Поступление масла в щитовой сервомотор прекращается, но щит, остается в крайнем верхнем положении. Постепенно открываются лопатки направляющего аппарата, и таким образом устранена последняя преграда на пути воды к рабочему колесу турбины. Сдвоенная турбина системы Френсиса мощностью 3200 л. с. приходит в движение и постепенно набирает скорость.

На одном валу с турбиной расположен генератор трехфазного тока мощностью 3000 киловольтампер, напряжением 6600 вольт, развивающий 300 оборотов в минуту.

Одновременно с пуском агрегата начинает работать регулятор напряжения системы Тирилля. Его назначение в том, чтобы поддерживать постоянное напряжение генератора.

После того, как агрегат приобрел нормальное число оборотов, дежурный производит на щите необходимые манипуляции по подготовке к включению автоматической станции на параллельную работу с ЭРГЭС 1, а затем замыкает выключатель в главной линии. Одновременно с этим на щите управления загорается сигнальная лампа.

После подключения агрегата к сети станция может принимать на себя нагрузку. При этом величина нагрузки устанавливается автоматически, в соответствии с уровнем воды в подводящем канале.

Сочетание работы отдельных механизмов и аппаратов на автоматической станции сделало излишним присутствие людей. Мускульную силу человека и его органы чувств —  зрение, слух, обоняние и т. д., заменили автоматы.

Преимущество автоматов в том, что они не имеют нервов, не знают усталости, их работа абсолютно точна и не зависит ни от каких случайностей. Все управление станцией разбивается на множество отдельных операций. Большинство из них выполняется с помощью реле, которые и заменили здесь органы чувств человека. В самом деле, реле приводятся в действие — под влиянием света, тепла, звука, газов, механических изменений, сотрясений, колебаний и т. д.

*

Устройство реле в зависимости от его назначения различно. Но подавляющее большинство из них устроено по принципу электромагнита.

Если железный стержень обмотать некоторым количеством витков изолированной проволоки и по этой проволоке пропустить электрический ток, то стержень намагничивается, приобретая способность притягивать к себе железные предметы. По выключении тока магнитные свойства железного стержня исчезают.

Если над катушкой из изолированной проволоки подвесить на пружинке железный стержень, то при оживлении катушки электрическим током стержень втягивается внутрь катушки. Этим свойством широко пользуются при устройстве разного рода электрических магнитных реле.

При оживлении катушки током железный сердечник, подвешенный на пружине, втягивается внутрь катушки.

Примером такого реле может служить «реле максимального тока», которое при появлении в цепи чрезмерно высокой силы тока защищает электрические машины и аппараты от порчи. Такое внезапное увеличение силы тока чаще всего бывает при коротком замыкании в электрической цепи.

Электромагнитное реле максимального тока, укрепленное на изоляторе масляного выключателя

Сопротивление цепи при этом резко уменьшается, а ток по закону Ома во столько же раз увеличивается. Как только ток превысил установленный для данного реле максимум, катушка реле втягивает сердечник внутрь, и цепь тока разрывается. Разрыв производится с помощью масляного выключателя. Одновременно с выключением линии замкнулась сигнальная цепь, и перед дежурным на щите управления загорелась сигнальная лампа и тревожно загудела сирена, а «указательное реле» показало характер и степень аварии.

Масляный выключатель небольшой мощности (130 MVA). Реле максимального тока сидят на изоляторах и при чрезмерном токе и цепи размыкают контакты масляника

Дежурный посылает монтеров для установления причины аварии, и только после устранения ее линию можно включать снова. Впрочем, очень часто такие аварии самоликвидируются, и монтеров высылать не приходится. Дело в том, что максимальные реле, поставленные на ответственных участках, снабжаются еще часовым механизмом. Вслед за втягиванием стержня в катушку сначала приходит в движение часовой механизм, и только по прошествии определенного, заранее установленного времени происходит разрыв цепи масляным выключателем. Если ток начнет убывать до истечения этого времени и понизится до установленного предела, то стержень возвращается в свое нормальное положение, и разрыв цепи не происходит.

*

Кроме реле максимального тока, на автоматической станции имеется еще целый ряд других реле, выполняющих ту или другую, строго определенную функцию. Таковы например: реле защиты от заземления, дифференциальное реле, сигнальное блокировочное реле, которое сообщает дежурному об аварии и не допускает повторного включения того или другого аппарата, пока не устранена причина аварии.

Подшипники турбины и генератора находятся под неослабным контролем температурных реле. При малейшем превышении температуры против нормальной они немедленно дают знать дежурному.

Реле спрятаны в обойме подшипника и устроены или в виде контактного термометра или термопары. В контактном термометре превышение температуры подшипника против установленного для них предела влечет за собой замыкание контактов электрической цепи. Обычно в каждом подшипнике сидят два таких термометра, один из них замыкает контакты, как только в подшипнике появилась ненормально-высокая температура. Тревожным ревом сирены он предупреждает дежурного, что в подшипнике что-то неладно. Дежурный может, не выключая станцию, послать человека проверить причину перегрева на месте.

Другой термометр действует более самостоятельно. Он замыкает свои контакты только тогда, когда температура подшипника превысит критическую. Это уже опасная для целости подшипника температура, и поэтому одновременно с сигналом на щит управления это реле приводит в действие аппарат, который немедленно останавливает станцию.

При этом станция блокируется, т. е. не может быть включена снова без предварительного устранения аварии. После устранения аварии высланным на место механиком станция пускается в ход вручную.

*

Для правильной работы генератора нужно, чтобы вращение турбины было всегда равномерным. Всякое изменение числа оборотов турбины повлекло бы за собой изменение электрического тока, а это привело бы к очень нежелательным последствиям. Так, если бы вращение генератора было неравномерным, то электрические лампочки не горели бы ровным, ярким светом, а «мигали», электромоторы, обслуживающие заводские станки, вращались бы то медленнее, то быстрее, что сделало бы работу на станках невозможной. Для того чтобы турбина, вращающая генератор, делала одинаковое число оборотов в минуту, нужно, чтобы количество воды, пропускаемое в секунду через турбину, было всегда одинаковым. Но это требует, чтобы и потребление энергии от генератора (нагрузка) также оставалось постоянным.

Однако хорошо известно, что потребление энергии электростанции, т. е. ее нагрузка в течение года резко меняется. Днем потребляют энергию, главным образом, промышленные предприятия, а вечером нагрузка значительно увеличивается, так как к дневному расходу энергии добавляется еще нагрузка на освещение.

Таким образом нагрузка генератора на электростанции, а следовательно, и нагрузка турбины, приводящей его в движение, не остаются постоянными. Всякое же изменение нагрузки при постоянном режиме реки (напоре и расходе воды) вызывает изменение числа оборотов турбины. При уменьшении нагрузки число оборотов турбины увеличивается, при увеличении — падает. Поэтому, чтобы поддержать равновесие между мощностью турбины и ее нагрузкой, сохранить постоянное число оборотов генератора, регулируют количество воды, пропускаемой через турбину. В этом состоит процесс регулирования турбины. Оно осуществляется с помощью лопаток направляющего аппарата. Изменяя величину просветов между лопатками, можно регулировать количество проходящей через турбину воды и, следовательно, менять мощность турбины и число ее оборотов. Эти функции на ЭРГЭС 2 выполняет автоматический регулятор турбины. Он состоит из обычного центробежного регулятора, передающего свои сравнительно слабые усилия с помощью рычагов и золотникового устройства сервомотору. Сервомотор, увеличив в несколько раз усилия центробежного регулятора, воздействует на регулирующий вал, соединенный посредством двух тяг и особого кольца с лопатками направляющего аппарата. Поворотом кольца достигается одновременный поворот всех лопаток направляющего аппарата на один и тот же угол.

Автоматический регулятор соединен с валом турбины с помощью ремня и откликается на все изменения числа оборотов, возникающие вследствие уменьшения или увеличения нагрузки турбины.

Два шара, гири, подвешенные на рычагах, вращаясь вокруг вертикальной оси, подвергаются действию центробежной силы, которая стремится раздвинуть шары в сторону, преодолевая силу их веса. Чем больше скорость вращения шаров, тем больше и центробежная сила. При увеличении числа оборотов вала турбины шары, расходясь в стороны, рычагами тащат за собой вверх подвижную муфту. При уменьшении числа оборотов шары сходятся, и муфта опускается вниз,

Автоматический регулятор с масляным сервомотором

Но сама муфта не могла бы регулировать лопатки направляющего аппарата, потому что усилия ее слишком слабы для этого. Чтобы сделать эти усилия более мощными, употребляют сервомотор.

При изменении скоростей муфта, перемещаясь по оси вверх и вниз, действует на рычаг и переставляет золотник, открывая этим отверстие, через которое в цилиндр сервомотора втекает под большим давлением масло. Масло же, действуя в цилиндре на поршень, перемещает его с большой силой, вполне достаточной для того, чтобы открыть или закрыть направляющий аппарат турбины.

*

Кроме количества воды, проходящей через турбину, мощность ее зависит еще от напора, с которым вода поступает в турбину. При отклонении напора от нормальной величины коэффициент полезного действия турбины понижается. Поэтому для поддержания постоянного напора на автоматической станции применено «регулирование уровня воды».

Выполняющее эту функцию устройство связано с масляным регулятором турбины, который при понижении горизонта воды уменьшает открытие направляющего аппарата. Конечная цель этого устройства состоит в том, чтобы не допустить понижения горизонта верхнего бьефа, а стало быть, и работы турбины с уменьшенным напором. Таким образом автоматическому регулятору принадлежит наиболее ответственная роль. Но вдруг ремень, соединяющий вал турбины с регулятором, оборвется. Тогда турбина, потеряв управление, могла бы при малой нагрузке развить такое число оборотов, что ротор генератора разлетелся бы на мелкие части. На этот случай предусмотрено особое устройство, которое немедленно останавливает станцию. Оно очень нехитрое. Приводной ремень от турбины к регулятору силой своего веса нажимает на ролик (леникс). Как только произошел обрыв ремня, ролик замыкает контакты электрической цепи, и сразу же приходят в действие автоматы, останавливающие станцию.

Агрегат автоматической гидростанции Hörlë (Швеция), мощностью в 480 л. с., 300 оборотов в минуту

Таким же порядком останавливается автоматическая станция и в случае других внутренних повреждений, могущих повлечь за собой значительные аварии машин и аппаратуры, например при чрезмерном повышении напряжения электрического тока, при разгоне агрегата, при заземлении генератора и т. п.

При этом всякий раз на щите управления тревожно трубит сирена, и действует указательное реле.

Повторный пуск станции производится вручную только после устранения всех причин аварии.

*

Чем больше автоматизированы процессы, тем успешнее работают агрегаты — эта формула сейчас уже стала совершенно очевидной. Автоматика и телемеханика обеспечивают необычайную точность, непрерывность и надежность в производственных процессах. Они упрощают и облегчают управление машинами и механизмами, позволяя вынести управление далеко за пределы самого производства. Они позволяют регулировать производство в зависимости от тепловых, световых, химических и прочих факторов, без непосредственного вмешательства человека. Наконец, они позволяют осуществлять точнейший контроль над производством.

Автоматический регулятор для турбин Днепровской ГЭС. Все чувствительные части регулятора спрятаны под кожухом

Для гидроэлектрических станций автоматизация приводит еще к значительному сокращению ежегодных эксплуатационных затрат, так как основным расходом здесь являются расходы по обслуживающему персоналу. Увеличивается общий коэффициент полезного действия установки (по данным Американкой практики — на 7—16%), повышается надежность и бесперебойность ее работы, улучшается техника безопасности. За границей уже давно используют все преимущества автоматизации гидроэлектрических станций. В Западной Европе и особенно в Америке в этой области накопился уже значительный опыт. Так, в Америке уже к 1930 г. было автоматизировано гидроэлектрических станций на общую мощность свыше 725 000 л. с. Общее же число автоматически управляемых и контролируемых электроустановок составляло свыше 8500.

*

Если первые шаги по пути автоматизации гидростанции были еще робкими и распространялись, главным образом, на мелкие установки с мощностями порядка сотен лошадиных сил, то теперь за границей переходят к автоматизации уже крупных установок мощностью в десяти и даже сотни тысяч лошадиных сил. Так например, в Америке автоматизированы такие установки, как Ogio Falls близ г. Луизвилля мощностью в 108 000 лошадиных сил. Но особенно широкое распространение получила за границей автоматизация мелких гидростанций. Для них практика выработала уже и некоторые весьма совершенные образцы оборудования.

Например, фирма АЕГ и др. изготовляют чрезвычайно интересный автоматический агрегат для мелких гидростанций — «турбинамо».

"Турбинамо" — автоматический агрегат на небольшой гидростанции

Это небольшая турбина и динамомашина, собранные в одном кожухе, с соответствующими приспособлениями для полного автоматического действия.

У нас в Советском Союзе дело автоматизации гидроэлектрических станций практически началось с постройки Эриванской станции ЭРГЭС 2, пущенной в 1932 г. Сейчас автоматизация гидростанций вместе с общей проблемой автоматизации и телемеханики быстро развивается.

Заканчивается постройкой вторая автоматическая станция в Рублеве под Москвой. Проектируется автоматизация таких крупных станций, как Загэс, Канакиргэс, Баксан и др., созданы специальные научно-исследовательские учреждения, занимающиеся разработкой этих проблем.

Одним из слабых мест пока еще является вопрос о кадрах. Специалистов по телемеханике и автоматике у нас пока чрезвычайно мало.

Наши вузы и втузы должны будут об этом серьезно подумать.

Телемеханика и автоматика открывают перед человечеством совершенно исключительные перспективы. Советская страна должна и в этой области завоевать мировые высоты.