- •1 Цели, задачи и содержание изучения энергосбережения
- •2 Виды энергии
- •3 Источник энергии. Энергетические ресурсы
- •Тема19. Энергосбережение в сельском хозяйстве
- •2. Пути экономии электроэнергии при эксплуатации электрооборудования в животноводстве
- •3. Пути экономии электроэнергии при эксплуатации оборудования подсобных предприятий
- •2 Структура расхода тепловой и электрической энергии зданиями
- •3 Тепловая изоляция зданий и сооружений
- •4 Совершенствование теплоснабжения. Тепловая изоляция трубопроводов.
- •5 Изоляционные характеристики остекления и стеклопакеты
- •Тема 17 Энергосбережение в быту.
- •3 Основные характеристики энергосберегающих ламп.
3 Источник энергии. Энергетические ресурсы
Для всех естественных процессов в пределах биосферы наиболее существенными являются энергетические факторы. Появление и развитие различных форм жизни в первую очередь зависит от функционирования энергетических источников. Для нашей планеты основным источником энергии является Солнце. Поглощаемая Землей энергия излучения Солнца в десятки раз превышает потребляемую человечеством. Процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ называют фотосинтезом. Исходными соединениями для фотосинтеза служат простые, низкой энергии неорганические вещества СО2 и Н2О:
6СО2+6Н2О^С6Н12О6+6О2 (2)
Животные потребляют энергию, накопленную растительностью. Человек потребляет энергию Солнца различными путями, в том числе с пищей, которая обеспечивает его работоспособность. Неиспользованная часть энергии накапливается в виде веществ, способных высвобождать ее при определенных условиях. Эти вещества называют ископаемым топливом (невозобновляемые источники энергии) - основной источник энергии в современном хозяйстве, а также важнейшее промышленное сырье.
Теплоту сгорания топлива определяют экспериментально. Для этого служат специальные приборы - калориметры. Теплота сгорания основных видов органического топлива колеблется от 6 200-7 500 кДж/кг (многозольные сланцы, высоковлажный торф, бурый уголь) до 25 000-29 000 кДж/кг (высококалорийный каменный уголь) и 33 000 кДж/кг (нефтепродукты и газ).
Рисунок 2 – Классификация возобновляемых источников энергии
Возобновляемые источники энергии - источники, потоки энергии которых постоянно существуют или периодически возникают в окружающей среде (рис. 2).
К ним относят энергию: прямого излучения Солнца, ветра, мирового океана (энергия приливов, волн), рек, морских течений, морских водорослей, биомассы, водотоков, геотермальных источников (энергия внутреннего тепла Земли), "холодную" (получение энергоносителей путем физико-химических процессов, протекающих при низких температурах), нетрадиционных источников энергии, получаемую при непосредственном преобразовании химической энергии органического топлива в электрическую - создание топливных элементов и др. энергетических ресурсов.
Энергия, которая содержится в природных источниках и может быть преобразована в механическую, тепловую, электрическую, химическую, называют первичной.
Энергия, получаемая человеком после преобразования первичной энергии на специальных установках – станциях, называется вторичной (электрическая энергия, энергия пара, горячей воды и т.д.). В настоящее время широко ведутся работы источников энергии: солнечной, ветра, приливов, теплоты земли (нетрадиционные виды энергии).
Любой источник энергии, естественный или искусственно активизированный, называют энергетическим ресурсом. По способу использования первичные энергетические ресурсы подразделяют на топливные и нетопливные, по признакам сохранения запасов на возобновляемые и невозобновляемые. В современном природопользовании энергетические ресурсы классифицируют на три группы:
- участвующие в постоянном обороте и потоке энергии (солнечная энергия, энергия потоков воды и воздушных масс и т. д.);
- депонированные (уголь, нефть, газ и т. д.);
- искусственно активизированные (ядерная и термоядерная энергия).
Использование энергетических ресурсов является одной из основных форм природопользования. Область общественного производства, охватывающая энергетические ресурсы, получение, преобразование, транспортировку и использование различных видов энергии, называется энергетикой. Энергетика функционирует в рамках энергосистем. В энергосистемы входят традиционная и нетрадиционная энергетика. Традиционная энергетика использует ископаемые энергические ресурсы (уголь, нефть, газ), а также торф, дрова и другое органическое и синтетическое топливо, энергию, выделяющуюся при распаде ядер (ядерное топливо), гидроэнергию рек, нетрадиционная - возобновляемые источники энергии (солнечную энергию, энергию ветра, энергию биомассы, геотермальную энергию и др.).
4.
Способы получения, транспортировки, преобразования и использование энергии
Мировые запасы нефти сосредоточены в географических районах, не совпадающих с районами ее переработки и потребления, благодаря чему существуют международные потоки нефти.
Сырая нефть и продукты ее переработки (бензин, керосин, дизельное топливо, мазут и др.) транспортируются по трубопроводам, водным и, реже, железнодорожным и автомобильным транспортом. Основная часть природного газа транспортируется по трубопроводам, незначительное количество - в сжиженном виде специальными танкерами, железнодорожным и автомобильным транспортом в цистернах и баллонах.
Основная часть угля используется в странах, его добывающих. Транспортировка угля осуществляется железнодорожным и водным транспортом, более энергозатратным, чем трубопроводный. Осваивается транспортировка угля по трубопроводам в контейнерах в виде пульпы (50 % — измельченный уголь, 50 % - вода).
Для транспортировки ядерного топлива создаются специальные контейнеры, которые оснащены защитными оболочками, снижающими радиоактивное излучение до нормативных пределов.
Извлеченное топливо транспортируется на переработку, а переработанное - к месту потребления.
Экономическая эффективность различных видов топлива зависит от коэффициента извлечения, материальных и энергетических затрат на добычу, транспортировку, переработку топлива, а также затрат на возмещение причиненного при этом ущерба окружающей среде.
Для нефти коэффициент извлечения составляет 0,3-0,4. Добыча нефти - хорошо отработанный технологический процесс.
Рисунок 3 – Получение тепловой и электрической энергии.
Электрическая и тепловая энергия производится (рис. 3):
- на тепловых электрических станциях (ТЭС) на органическом топливе с использованием в турбинах водного пара (паротурбинные установки – ПТУ); продуктов сгорания – ГТУ, их комбинаций (паровые установки – ПГТУ);
- на гидравлических электрических станциях (ГЭС), использующих энергию падающего потока воды, течения;
- на атомных электростанциях АЭС, использующих энергию ядерного распада.
Тепловые электрические станции (ТЭС).
Их можно разделить на конденсационные электрические станции (КЭС), производящие только электроэнергию, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) - электрические станции с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии.
Тепловые электростанции работают по такому принципу: топливо сжигается в топке парового котла. Выделяющееся при горении тепло испаряет воду, циркулирующую внутри расположенных в котле труб, и перегревает образовавшийся пар. Пар, расширяясь, вращает турбину, а та, в свою очередь, — вал электрического генератора. Затем отработавший пар конденсируется; вода из конденсатора через систему подогревателей возвращается в котел.
Рассмотрим схему производства электрической энергии на ТЭС, работающей на твердом топливе. 60% всех генерирующих мощностей России приходится как раз на долю ТЭС – тепловых электростанций, использующих паротурбинные установки.
В отличие от паровых турбин, газовые в качестве рабочего тела используют не воду, как в парогенераторах, а газ, образующийся в процессе сгорания топлива (обычно – природного газа). Это позволяет увеличить эффективность работы и тепловую экономичность таких генераторов.
Цикл работы ГТУ выглядит следующим образом: продукты сгорания топлива поступают в компрессор, где доводятся до критических параметров давления и температуры, на выходе из компрессора они попадают на лопатки турбины, приводя в движение одновременно и ротор электрогенератора.
Отработавшие газы выводятся в атмосферу. Принципиальная схема работы ГТУ представлена на рисунке 4.
КС – камера сгорания топлива ГТ – газовая турбина ЭГ – электрогенератор К – компрессор |
КА – котлоагрегат ПТ – паровая турбина ЭГ – электрогенератор К – конденсатор
|
Рисунок 4 – Газотурбинные Рисунок 5 - Паротурбинные
установки (ГТУ) установки (ПТУ)
Теплоэлектроцентраль отличается от конденсационной станции установленной на ней специальной теплофикационной турбиной с отбором пара. На ТЭЦ одна часть пара полностью используется в турбине для выработки электроэнергии в генераторе и затем поступает в конденсатор, а другая, имеющая большую температуру и давление (на рис. штриховая линия), отбирается от промежуточной ступени турбины и используется для теплоснабжения (рис. 5).
Мини-ТЭЦ - электростанция с комбинированным производством электроэнергии и тепла, расположенная в непосредственной близости от конечного потребителя.
В качестве источника энергии в мини-ТЭЦ используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС): дизельные, газовые и газотурбинные.
Такие установки окупают себя в течение 2,5-5 лет. А автономность мини-ТЭЦ, производящих электроэнергию и тепло на месте потребления, даёт гарантию от перебоев или аварийных отключений, которые неизбежны из-за изношенности электрических и тепловых сетей. Срок службы самих двигателей - до 200 000 моточасов, или 25 лет, при эксплуатации по 8 000 часов в год делает мини-ТЭЦ надежнейшим источником бесперебойного энергообеспечения (рис. 6).
|
Км – компрессор ГТ – газовая турбина КА – паровой котлоагрегат ПТ – паровая турбина К - конденсатор ЭГ 1 – электрогенератор газового цикла ЭГ 2 – электрогенератор теплового цикла КС – камера сгорания топлива |
Рисунок 6 – Схема мини ТЭЦ Рисунок 7 – Схема парогазовой
на базе ДВЗ установки ПГУ
Турбина вместе с котлом, питающим ее паром, образует моноблок. Топливо сгорает в топочной камере парового котла с выделением теплоты. Эта энергия передается рабочему телу – воде, превращая ее в насыщенный пар, а затем в перегретый.
ПГУ совмещают в себе принципы работы паровых и газовых турбин (рис. 7).
Парогазовые турбины используют и газ, и воду в качестве рабочего тела турбины. Сначала топливо сжигается в газотурбинной установке, после чего прошедший через турбину газ используется для нагревания воды в котле и работы по обычному паровому циклу.
Парогазовые турбины обладают более высоким КПД, но меньшей маневренностью.
Фактически, парогазовые турбины – это один из наиболее эффективных промышленных способов производства электроэнергии.
В Беларуси осуществляется программа строительства малых, мини-ТЭЦ и новых котельных на древесных отходах, реконструкции действующих котельных с переводом их на древесное топливо..
Гидроэлектростанции.
Основным рабочим органом гидроэнергетической установки, непосредственно преобразующей энергию движения воды в кинетическую энергию своего вращения является гидротурбина (КПД турбины до 95%).
В схему входят: водохранилище, подводящий водовод, регулятор расхода воды, гидротурбина, электрогенератор, система контроля и управления параметрами генератора (рис. 8).
Рисунок 8 – Принцип работы гидроэлектростанции
Гидроэлектростанция в статическом состоянии состоит из лопастей 1, жестко связанных с осью 2. Ось 2 устанавливается на опорном подшипнике 3, размещенном в бетонном корпусе 4, установленном на берегу реки. На бетонном корпусе 4 закрепляется на анкерных болтах 5 металлический кронштейн 6, на котором установлена муфта 7, генератор 8 и подшипник 9 оси 2.
Ширина лопасти конструктивно определяется суммой разницы максимального и минимального уровней реки в данном месте и величиной ширины части лопасти, которая обеспечивает устойчивое вращение турбины при минимальном уровне водной поверхности.
От длины лопастей зависит мощность гидроэлектростанции.
Преимуществами предлагаемой гидроэлектростанции являются удобство обслуживания из-за установки на берегу, ее повышенный по сравнению с прототипом КПД из-за размещения муфты и генератора на открытом воздухе и отсутствия их герметизации, из-за размещения лопастей в верхних слоях течения реки, из-за применения определенного соотношения в ширине лопасти, простота изготовления конструкции и уменьшение ее металлоемкости.
Атомные электростанции.
Принципиальная схема АЭС с ядерным реактором, имеющим водяное охлаждение, приведена на рис.9. Тепло, выделяется в активной зоне реактора, вбирается водой (теплоносителем) 1-г контура, которая прокачивается через реактор циркуляционным насосом. Нагретая вода из реактора поступает в теплообменник (парогенератор) 3, где передаёт тепло, полученное в реакторе воде 2-го контура. Вода 2-го контура испаряется в парогенераторе, и образуется пар поступает в турбину 4.
Наиболее часто на АЭС применяют четыре типа реакторов на тепловых нейтронах:
1) водоводяные с обычной водой в качестве замедлителя и теплоносителя;
2) графитоводные с водяным теплоносителем и графитовым замедлителем;
3) тяжеловодные с водяным теплоносителем и тяжёлой водой в качестве замедлителя;
4) графитогазовые с газовым теплоносителем и графитовым замедлителем.
Выбор преимущественно применяемого типа реактора определяется главным образом накопленным опытом в реактороносителе а также наличием необходимого промышленного оборудования, сырьевых запасов и т. л. В России строят главным образом графитоводные и водоводяные реакторы. На АЭС США наибольшее распространение получили водоводяные реакторы. Графитогазовые реакторы применяются в Англии. В атомной энергетике Канады преобладают АЭС с тяжеловодными реакторами.
Р исунок 9 - Принципиальная схема АЭС: 1 — ядерный реактор; 2 — циркуляционный насос; 3 — теплообменник; 4 — турбина; 5 — генератор электрического тока.
При сжигании 1 кг каменного угля можно получить 8 кВт·ч. электроэнергии, а при расходе 1 кг ядерного топлива вырабатывается 23 млн.кВт·ч. электроэнергии.
Отработавший в турбине пар конденсируется, и конденсат питательным насосом подается в реактор. Недостатки: вода на выходе из реактора становится радиоактивной, что предъявляет повышенные требования к биологической защите.
Существуют двухконтурные и трехконтурные системы, где в качестве теплоносителя используется жидкий натрий.
Котельные.
Котельные предназначены для централизованного теплоснабжения промышленности и жилищно-коммунального хозяйства, а также для покрытия пиковых тепловых нагрузок в теплофикационных системах. В котельных устанавливают котлы или паровые котлы низкого давления.
Модульная котельная предназначена для теплоснабжения и горячего водоснабжения жилых, культурно-бытовых и производственных объектов теплопроизводительностью от 95 кВт до 12 МВт. Полностью исключаются затраты на строительство капитального здания. Каждая модульная котельная имеет высокий КПД и автоматически обеспечивает оптимальный режим работы всего отопительного оборудования, при этом она производит столько тепла и горячей воды, сколько требуется потребителю в данный момент. Таким образом достигается максимальная экономия топлива.
Закон сохранения энергии. Сумма всех видов энергии остается постоянной, что, в конечном счете, приводит к утверждению: энергия никогда не создается и не уничтожается, она только переходит из одного вида в другой.
Анализ функционирования топливно-энергетических объектов показывает, что экономически наиболее эффективны электростанции, не имеющие громоздкого топливного цикла: гидроэлектростанции, солнечные, ветряные, геотермальные и ряд других на возобновляемых источниках.
Вопросы для самоконтроля.
Дайте определение энергии. Назовите классификацию видов и форм энергии.
Что называется возобновляемыми и невозобновляемыми источниками энергии?
Что называется первичной и вторичной энергией?
Дайте определение энергетического ресурса. Назовите классификацию энергетических ресурсов.
Что называется энергетикой?
На каких станциях-установках можно получить электрическую и тепловую энергию?
Назовите классификацию и дайте описание тепловых электростанций.
Опишите основной принцип работы гидроэлектростанций.
Опишите основной принцип работы атомной электростанции.