79

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Вятский государственный университет

Электротехнический факультет

Кафедра «Теплотехника и гидравлика»

Н.В. Верховская

Учебное пособие

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ И ТЕХНИКЕ

Специальность 140104 «Промышленная теплоэнергетика»

Направление 550900 «Теплоэнергетика»

Общепрофессиональная дисциплина (ОПД.Ф.07)

2009

УДК 621.187.12

В62

Составитель: ведущий инженер НПЛ кафедры теплотехники и гидравлики, ст. преподаватель Н.В. Верховская

Учебное пособие предназначено для студентов очного и заочного обучения теплоэнергетических специальностей по курсу: «Энергосбережение в теплоэнергетике и технике».

В пособии изложены основные направления энергосбережения в теплоэнергетике.

Компьютерная верстка автора

Подписано в печать_________ Усл.печ.л.________

Бумага офсетная. Печать матричная.

Заказ №_____ Тираж 100

Текст представлен заказчиком в электронном виде.

Доработка текста, подготовка к печати, изготовление оригинал-макетов ООО «Фирма «Полекс».

____________________________________________________________________

Изготовлено – ООО «Фирма «Полекс»

610000, г.Киров, ул. Дрелевского, 55.

© Н.В. Верховская

© Вятский государственный университет, 2009

1. Основные понятия и определения

Энергетика любой страны является основой, фундаментом экономики. Энергетику можно представить как совокупность четырех производственно-технических комплексов:

• Добыча, подготовка и транспортировка органического и ядерного топлива к местам производства энергии (нефтегазовые, угольные предприятия).

• Централизованное преобразование энергии топлива и возобновляемых источников в электрическую энергию и теплоту (ТЭС, ТЭЦ, котельные).

• Преобразование топлива, электроэнергии и теплоты в различные виды энергоносителей и распределение всех видов энергии и энергоносителей (компрессорные, насосные станции водоснабжения, искусственные и технологические газы, хладоносители, разделение воздуха и т.д.).

• Использование различных видов энергии в материальном производстве и при оказании различных услуг (производственно-технологические комплексы предприятий, коммунальные услуги и т.д.).

На всех стадиях движения энергии имеется её нерациональное расходование и потери. Потенциал энергосбережения заключается в разнице между количеством фактически используемой энергии и количеством энергии, минимально необходимом для производства и оказания услуг. Наименее эффективно энергия используется в четвертом комплексе.

Имеется множество видов топлив, энергии и энергоносителей и для анализа энергетических процессов необходимо иметь единые единицы измерения и оценки затрат и потерь энергии. Рассмотрим их.

Для сопоставления энергетической ценности различных видов топлива и их суммарного учета введено понятие условного топлива – некоторого топлива, которое имеет низшую теплоту сгорания Q_ну = 7000 ккал/кг (29307,6 кДж/кг = 29,31 МДж/кг). Любое топливо с низшей теплотой сгорания Q_н имеет эквивалент в условном топливе Э_у = Q_н / Q_ну. Тепловую и электрическую энергию и их экономию также удобно переводить в условное топливо, точнее в тонны условного топлива (т у.т.). Так как 1 т у.т. имеет энергию 7000 тыс. ккал (7 Гкал)¹ или 29307,6 МДж (29,31 ГДж), то 1 Гкал = 0,143 т у.т. и 1 ГДж = 0,034 т у.т. При использовании понятия условного топлива не учитываются затраты энергии на добычу, транспортировку, подготовку и переработку конкретного вида топлива. Данные обстоятельства учитываются введением другой единицы – тонны первичного условного топлива. С помощью перевода всех составляющих энергопотребления в первичное условное топливо можно определить фактические затраты условного топлива в целом по стране для обеспечения работы данного предприятия. Коэффициенты пересчета потребленного котельно-печного топлива в первичное составляют для 1 т топлива: энергетического угля – 1,065 т у.т.; мазута – 1,107 т у.т.; газа – 1, 167 т. у.т., причем для энергетических расчетов принимаются низшая теплота сгорания природного газа 7950 ккал/м³ (33,29 МДж/м³) и мазута 9500 ккал/кг (39,78 МДж/кг). В 1985 г. для потребления 1 т у.т. котельно-печного топлива требовалось добыть 1, 134 т у.т. первичного топлива, т.е. усредненный коэффициент пересчета равен 1, 134.

Выработанный 1 кВтч энергии равен 3,6 МДж = 0,0036 ГДж =122,8 г у.т., т.е. 1 т у.т. = 8143 кВтч. С учетом потерь энергии на ТЭЦ и ТЭС на выработку 1 кВтч электроэнергии требуется в среднем 320 г у.т./кВтч, а на выработку одного кВтч теплоты с учетом КПД котельных установок 123 г у.т./кВтч.

Другой универсальной мерой потребления топлива и энергии является нефтяной эквивалент (н.э.). Различные сорта нефти имеют разный состав и теплотворную способность. В среднем тонна нефти (1 т н.э.) имеет теплотворную способность 11 Гкал (46 ГДж) и эквивалентна 1,57 т у.т., т.е. любое количество какого-либо топлива можно выразить в нефтяном эквиваленте. Например, 1000 м³ природного газа с низшей теплотой сгорания 8400 ккал/м³ = 8,4 Мкал/м³ имеет энергию 8,4 Гкал, что соответствует 764 кг н.э.

Возобновляемые источники энергии также должны учитываться в топливно-энергетическом балансе и должны максимально широко использоваться с целью уменьшения потерь невозобновляемых ресурсов органических топлив. Энергия солнечного излучения, геотермального тепла, энергия ветра, движения рек, волн, приливов, биомассы также могут использоваться для производства тепла и электроэнергии. Энергия возобновляемых источников потенциально способна с избытком обеспечить все потребности промышленности и общества, однако, вследствие технологических сложностей, высокой стоимости и низкой поверхностной плотности энергии или наоборот локальности данных источников их применение ограничено, и в энергобалансе имеет незначительную долю.

В качестве характеристик эффективности использования энергоресурсов применяют показатели (индикаторы) энергоэффективности – установленные государственными стандартами абсолютные или удельные величины, характеризующие потребление или потери энергетических ресурсов (для продукции любого назначения).

Удельное энергопотребление рассматривают в расчете на одного абонента, одного жителя, на единицу оборудования или прибора или на производство единицы продукции и на денежную единицу.

Значения индикаторов эффективности позволяют сравнивать эффективность энергосбережения в организациях и предприятиях с аналогичными производственными процессами. Динамика изменения индикаторов показывает эффективность энергосберегающих мероприятий.

Согласно закону РФ «Об энергосбережении» понятие энергосбережение определяется как реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное (рациональное) использование невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии.

Энергосбережение следует рассматривать в двух аспектах.

Первый аспект состоит в снижении физического объема топлива и энергии, которые расходуется на единицу выпускаемой продукции или национального дохода, т.е. в экономии топлива и энергии.

Второй аспект – это мероприятия, реализация которых обеспечивает экономический эффект за счет совершенствования структуры самого энергетического производства и энергетического баланса, а также замещения энергией трудовых ресурсов или дорогих и дефицитных материалов. К этому эффекту также относятся мероприятия, при которых экономический эффект достигается при дополнительном расходе энергоресурсов, которое обеспечивает повышение качества выпускаемой продукции, организацию производства новой продукции с улучшенными свойствами, повышение комфортности жилья, улучшение условий и безопасности труда, снижение отрицательного воздействия на природу. Такие мероприятия будут энергосберегающими, если достигаемый за их счет общий экономический эффект будет превышать затраты связанные с дополнительными энергоресурсами.

Общая экономия энергоресурсов в народном хозяйстве за счет всех энергосберегающих мероприятий является суммой экономии первичных энергоресурсов, которая достигается:

• в сфере потребления в неэнергетической части промышленности;

• за счет совершенствования энергетического хозяйства потребителей;

• в самом топливно-энергетическом комплексе.

В практике экономия топлива и энергии определяется по разности норм их расхода в начале и в конце планового периода, умноженной на объем производства продукции в конце периода. К этому добавляется экономия за счет использования вторичных (горючих и тепловых) энергоресурсов. При формировании топливно-энергетических балансов необходимо учитывать использование ядерной энергии и всех видов возобновляемой энергии. Следует также учитывать экономию, достигаемую за счет структурной перестройки энергетики и других отраслей промышленности.

При общей оценке энергосбережения и формирования энергосберегающей политики следует отличать экономию энергоресурсов, соответствующую естественным структурным изменениям и техническому прогрессу от экономии, требующих целенаправленных действий, т.е. капитальных вложений, экономического стимулирования, контроля и т.д.

2. Актуальность энергосбережения в России и мире

Тенденции изменения в топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) развитых стран мира и России имеют, с учетом временнóго отставания, сходные черты и подобные закономерности:

• снижение в перспективе уровней энергопотребления в сравнении с ранее прогнозировавшимися;

• снижение доли нефти как котельно-печного топлива;

• незначительный удельный вес возобновляемых источников энергии;

• преобладание природного газа в росте потребления энергоресурсов.

За последнее столетие мировое энергопотребление возросло более чем в пять раз и превысило 12 млрд. т у.т., Хотя темпы роста энергопотребления за последнее десятилетие имеют тенденцию к снижению, суммарное мировое производство первичных энергоресурсов непрерывно возрастает.

Особенно резко снизились темпы роста энергопотребления в промышленно развитых странах. Средний ежегодный прирост потребления в мире составляет 1,7 %, в США – 0,4 %, в европейских странах – 0,25 %. Развитые страны уже миновали период расточительного использования энергетических ресурсов и встали на путь энергосбережения с одновременным повышением количества и качества использования энергии. Снижение темпов роста энергопотребления при одновременном увеличении валового внутреннего продукта развитых стран убедительно говорит о результативной энергосберегающей политике этих государств.

Структура мирового топливно-энергетического баланса подчеркивает пока доминирующую роль нефти (46…47 %), меньшую долю угля (28…29 %) и газа (19…20 %). Первый энергетический кризис 70-х годов лишь незначительно изменил структуру баланса, однако, возникшие тенденции очевидны: снижается доля нефти (на 2…3 %) за счет увеличения потребления угля и электроэнергии, произведенной на ГЭС и АЭС.

С изменением структуры мирового ТЭБ происходит также углубление неравномерности развития различных стран и регионов в производстве и потреблении энергии. Такие страны как США, Япония, страны ЕЭС занимая менее 10 % территории, при населении менее 20 % от мирового производят более 50 % мирового промышленного продукта. Почти 65 % электроэнергии и потребляют 55 % природных энергоресурсов. По данным Международного энергетического агентства производства первичных энергоресурсов, включая биомассу на одного жителя планеты составляет 2360 кг у.т./чел. Удельная энергоемкость валового продукта к концу XX столетия в мире составила 443 кг у.т. на 1000 долл.

За последние 15…20 лет энергоемкость валового продукта в большинстве развитых стран снизилась, тогда как электроемкость продукта во многих странах проявила тенденцию к росту. Россия, являясь одной из ведущих энергетических стран, к сожалению, имеет другие тенденции.

По западным прогнозам, энергоемкость мировой экономики к 2020 г. сократится почти на четверть, самой энергоэффективной останется экономика Японии и стран ЕС, а наиболее энергорасточительной будет оставаться экономика стран СНГ, энергоемкость которой к 2020 г. будет по прогнозам в 6 раз больше, чем в Японии и втрое выше, чем в США.

Россия, располагая 13 % территории и 3 % населения мира имеет 12 % разведанных и 12 % прогнозных мировых запасов нефти, 34 % разведанных и 42 % прогнозных запасов природного газа, около 20 % разведанных мировых запасов каменного угля. Обеспеченность добычи разведанными запасами топлива оценивается по нефти и газу в несколько десятков лет, по углю – около 200 лет. В мировом производстве топливно-энергетических ресурсов Россия в 1990 году занимала первое место в мире по добыче газа (30 %) и нефти (17 %), второе место по выработке электроэнергии (9 %) и четвертое место по добыче угля (8 %). В развитии энергетики страны можно выделить несколько этапов.

В 20-50-е годы были характерны низким уровнем энергопотребления, дефицитностью ТЭБ, высокой долей угля в нем. Уже в то время энергосбережение закладывалось в виде планового снижения удельных расходов энергии. Однако, устанавливаемая государством низкая цена на энергию не стимулировала выполнение этих планов. 60-70-е годы характеризуются возрастанием доли нефти и газа в ТЭБ страны и снижением удельной энергоемкости внутреннего валового продукта (ВВП), чему способствовал научно-технический прогресс. 80-е годы прошли под знаком интенсивного освоения природных ресурсов Западной Сибири (нефти, газа), что ослабило внимание к энергосбережению и уменьшило темпы снижения энергоемкости ВВП. В эти годы завершилось создание единой энергетической системы (ЕЭС) страны. И хотя в производстве электроэнергии и тепла достигнут практически наивысший КПД преобразования, в использовании энергии и энергоресурсов в народном хозяйстве были большие потери и по удельной энергоемкости ВВП Россия имела в 2-3 раза худшие показатели, чем развитые страны Европы, США, Японии.

В период реформ 1990-2000 гг. более чем в 3,5 раза снизились инвестиции в топливно-энергетический комплекс (ТЭК) России, нарушился ход воспроизводства сырьевой базы, приросты разведанных запасов нефти и газа не компенсировали их добычу. Ввод новых мощностей во всех отраслях ТЭК снизился в 2…4,5 раза, износ основных фондов достиг в угольной промышленности более 50 %, в электроэнергетике 40 %, оборудование большинства электростанций выработало свой ресурс. За период 1990-1998 гг. ВВП России снизился на 42 %, объем промышленного производства на 54 %, производство электроэнергии на 24 %, добыча нефти на 41 %, добыча газа на 7 %, добыча угля на 41 %. Вместе с тем падение производства энергоресурсов оказалось меньше, чем общий спад в экономике, что повысило энергоемкость ВВП почти на 20 %.

В настоящее время для обеспечения устойчивого экономического развития России требуется значительно увеличить энергопотребление. При предполагаемом темпе прироста ВВП, равном 5-6 % в год, расчетная потребность в энергоресурсах при имеющейся удельной энергоемкости ВВП в 2020 г будет в 3 раза выше, чем в 2000 г. В период до 2010 года энергопотребление промышленных предприятий будет иметь среднегодовой прирост 3…4 %. Такое увеличение производства энергоресурсов в предстоящие 20 лет из-за значительной капиталоемкости и инерционности ТЭК нереально.

В настоящий момент ТЭК весьма существенно влияет на состояние всей экономики страны, его продукция составляет около 25 % от продукции всех отраслей промышленности, примерно 50 % валютных и 50 % налоговых поступлений идет от экспорта нефти и газа и от налогов на отрасли ТЭК. Однако, энергетика страны близка к кризисному состоянию, что объясняется следующими факторами:

• низкий технический уровень основного оборудования ТЭК;

• растущая изношенность оборудования и вследствие этого высокая стоимость производимых ТЭР;

• экологические проблемы вокруг объектов ТЭК;

• спад инвестиций в отрасли ТЭК;

• нарушение энергоснабжения из-за неплатежей или из-за недостаточной мощности источников энергии;

• расточительное энергопотребление;

• незначительность работ по энергосбережению.

В стране происходит рост потребления при постепенном истощении запасов и усложнении добычи, что вызывает увеличение стоимости органического топлива. В течение последних 20-ти лет не происходило существенного обновления энергетического оборудования, и современная российская энергетика не сможет обеспечить значительных темпов роста промышленного производства.

Удельная энергоемкость ВВП России почти 3 раза выше, чем в Японии и в 1,8…2,3 раза выше, чем в странах ЕЭС. Высокая энергоемкость российской экономики объясняется следующими факторами:

• крайне слабый учет, контроль и регулирование расходования энергоресурсов во всех сферах экономики;

• искусственно заниженные тарифы на электроэнергию и на другие энергоносители;

• отсутствие заинтересованности потребителей энергии в рациональном и экономичном расходовании энергоресурсов;

• преобладание монопольной системы энергоснабжения и т.д.

В последние годы энергоемкость еще более возросла из-за недогрузки или простоя предприятий. Энергорасточительность во всех сферах производства и коммунальной сферы вызывает необходимость дополнительной добычи энергоресурсов не менее 170 млн. т у.т. Кроме того, для восстановления промышленного производства на уровне 1990 г. стране дополнительно потребуется не менее 350 млн. т у.т. Рост энергоемкости ВВП увеличивает расходы госбюджета на энергообеспечение коммунально-социальной сферы и существенно снижает конкурентоспособность российских товаров.

В энергетической стратегии России предполагается снижение удельной энергоемкости ВВП к 2020 г не менее, чем в 2 раза. Для этого необходимо:

• реализовать имеющийся технологический и организационный потенциал энергосбережения, который по оценкам достигает 430 млн. т у.т. в год или почти 50 % внутреннего энергопотребления;

• провести структурную перестройку экономики в соответствии с требованиями рынка в направлении увеличения доли услуг и доли малоэнергоемкой продукции в объеме промышленного производства.

Потенциал экономии ТЭР к 2010 г по отраслям экономики по оценкам составляет: ТЭК – 130 млн. т у.т.; жилищно-коммунальный сектор – 75 млн. т у.т.; сельское хозяйство – 30 млн. т у.т.; транспорт – 40 млн. т у.т.; промышленность – 155 млн. т у.т.