Технологические энергоносители предприятий

Курс лекций

ЛЕКЦИЯ 1

ВВЕДЕНИЕ

Опасность глобального энергетического кризиса давно осознана человечеством, и поэтому решение энергетических проблем для техники и науки имеет приоритетный характер. В ведущих странах отпускаются большие средства на научно - технические исследования.

М ечта - изобрести двигатель, который смог бы работать вечно, «как вечно и неостановимо движение небесных светил», многие века владела умами человечества. Упорные поиски не прошли даром. В 1769 г. английский естествоиспытатель Джеймс Уатт получил патент на изобретенную им паровую машину — первый тепловой двигатель. Международная метрическая система единиц (СИ) увековечила его имя, и с 1960 г. мощность выражается в ваттах.

Французский инженер Сади Карно в 1824 г. в своей книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» доказал невозможность полного превращения теплоты в работу и, следовательно указал на невозможность создания вечного двигателя. Позже, в 1850 г. физик Р. Клаузиус вывел формулу термического КПД теплового двигателя, ставшего символом зарождающегося индустриального мира, превращавшего теплоту в движение ценой необратимых потерь энергии.

Паровые машины работали на паре, получаемом в паровых котлах, сжигающих уголь или дрова. Всего полтора столетия назад нефть считалась не более чем липкой жидкой грязью, мешающей соледобытчикам. Они закрывали испорченные ею солевые колодцы. Сегодня нефть называют кровью земли. Исследования ученого Бенджамина Силлимэна и предприимчивость военного Эдвина Дрейка доказали, что нефть обладает свойствами горючего и смазки и ее можно добывать бурением скважин в земле. Первая в мире промышленная нефтяная скважина была пробурена в Азербайджане компанией, принадлежавшей братьям Нобилям.

Решающим изобретением в области энергетики стали разработанные Н. Тесла генератор переменного тока и трансформатор напряжения — ключевые элементы всех электроэнергетических систем. Свои права на изобретение он передал Д. Вестингхаузу, фирма которого первой построила электростанцию для генерации переменного тока и линии электропередачи.

В любой стране энергетика является базовой отраслью экономики. От ее состояния и уровня развития зависят соответствующие темпы роста других отраслей хозяйства, стабильность их работы и энерговооруженность.

Энергетика создает предпосылки для применения новых технологий, обеспечивает наряду с другими факторами современный уровень жизни населения страны. Вместе с тем она оказывает заметное влияние на окружающую среду, являясь одним из основных потребителей первичных энергоресурсов — органического и ядерного топлива, гидроресурсов. Имеют место значительные выбросы теплоты, продуктов сгорания топлива, шумовые воздействия, которые вредно влияют на человека и окружающую природу.

Во всех странах отмечается непрекращающийся рост производства электроэнергии (табл. В. 1 и В.2). Энергопотребители всего мира прогнозируют в ближайшие 30 лет удвоение электрогенерирующих мощностей, добыча угля в 2020 г. достигнет 7·10⁹ т, а природного газа 4 трлн. м³ в год. Доля АЭС в энергетике немного снизится, но общий объем производства электроэнергии на АЭС возрастет. Хорошо просматривается перспектива доминирующего производства электроэнергии на тепловых электростанциях, сжигающих органическое топливо.

Все большее значение приобретает создание мирового рынка электро- энергии, где импортеры смогут покупать электроэнергию по цене ниже соб- ственных тарифов, а экспортеры реализовывать возможности электрогенерирующих мощностей, превышающих собственные потребности в отдельных регионах и странах. В зависимости от времени суток и года могут быть реализованы льготные тарифы продажи и потребления электроэнергии.

Технический прогресс в электроэнергетике развитых стран характеризуется следующими основными направлениями: созданием высокоэкономичных энергоблоков с суперкритическими параметрами пара для работы по определенному графику нагрузки с возможно более полной автоматизацией технологического процесса; повышением экономичности и совершенствованием структуры топливно-энергетического баланса; снижением удельных капитальных затрат при производстве электрической и тепловой энергии; высокой надежности защиты окружающей среды от вредного воздействия электростанций.

Третья часть мирового объема энергетических проектов и контрактов сосредоточена в Европе и достигает 50·10⁹ долл. США. Лидерами в этой области в Европе являются компании Siemens (Германия) и Alstom (Великобритания).

Изменение выработки электроэнергии в мире

В Европе существует шесть соединенных между собой энергетических систем: а) единая энергетическая система (UPS) — сети ЕЭС России и Восточной Европы;б) соединенные между собой энергосистемы Восточной Европы (IРS) — сети Центральной и Восточной Европы;в) объединенные по координации производства и передачи электроэнергии (UСРТЕ) сети Западной Европы;г) организация по энергетическому сотрудничеству стран европейского севера (NORDEL) — сети скандинавских государств;д) СЕNTREL — сети, соединяющие энергосистемы и сети Польши, Венгрии, Чехии и Словакии;е) энергетическая система сетей Великобритании, связанная кабелем через пролив Ла-Манш с континентом и соединяющая сети Англии и Франции.

Важными факторами при оценке эффективности работы отдельных энергосистем служат себестоимость отпуска электроэнергии, удельные затраты на различные виды электрогенерирующего оборудования и сроки ввода раз личных объектов энергетики в эксплуатацию. Учет этих факторов осуществляется при расширении энергосистем и появлении новых генерирующих мощностей.

Себестоимость отпуска электроэнергии в мире, цент/(кВт ·ч)

Угольная ТЭС........................................................................................ 2,4—3,3

Парогазовая установка (ПГУ) на природном газе............................. 1,6—2,55

АЭС с реакторами ВВЭР-1000.............................................................1,8—3,24

Когенерационные установки................................................................1,2—2,8

Таблица В.2.

Производство электроэнергии в развитых странах мира, млрд. кВт·ч

Биотопливная энергетика, несмотря на наличие огромного количества органических отходов, представлена лишь опытными образцами по производству биогаза. В России существует опыт эксплуатации ГеоТЭС, но при их работе возникает ряд проблем: поступление большого количества минеральных солей из недр вместе с теплоносителем (водой), попадание большого количества низкопотенциальной теплоты в верхние оболочки биосферы, образование гидроразрывов и каверн в глубинах земли из-за отбора теплоты и возникновение напряжения в земных породах.

Солнечные и ветровые энергетические установки имеют неоспоримые экологические преимущества, однако они зависят от сезонных и суточных колебаний, а также от изменений погоды.

Ядерная энергетика многими специалистами рассматривается как одна из основных составляющих российской энергетики. Около 17 % мировой электроэнергии, вырабатываемой на АЭС, спасают нашу планету от 2,3 млрд. т выбросов парниковых газов. Вместе с тем полностью не разрешены вопросы размещения, переработки и захоронения ядерных отходов.

Удельные затраты на различные виды электрогенерирующего оборудования в мире (2000—2010 гг.)

Важной проблемой являются вывод из эксплуатации и консервация энергоблоков АЭС, отслуживших свой ресурс. Выполнение этих работ потребует дополнительных инвестиций в размере от 30 до 100 % сумм, первоначально затраченных на создание АЭС. При расчете себестоимости электроэнергии, выработанной на АЭС, это обстоятельство необходимо учитывать.

Российская Федерация участвует в международных соглашениях по охране окружающей среды. На Европейском континенте нормы выбросов золы на любой ТЭС не должны превышать 50 мг/м³, тогда как фактические концентрации золы в выбросах некоторых ТЭС значительно выше. При сжигании 1 т условного твердого топлива выбрасывается 780 кг углекислого газа, при сжигании мазута более 520 кг, природного газа примерно 370 кг. Следовательно, переход на природный газ в энергетике позволит радикально снизить выбросы углекислого газа в атмосферу. Сокращению выбросов способствует и повышение эффективности технологических процессов производства электрической и тепловой энергии. Лучшие паросиловые блоки с суперкритическими параметрами пара и его двойным промежуточным перегревом позволяют вырабатывать в конденсационном режиме электроэнергию с КПД нетто 44—46 %.

Конденсационные парогазовые энергоблоки с котлами-утилизаторами (КУ) вырабатывают электроэнергию с КПД нетто, достигающим 58—60 %. Существенно отличаются при этом удельные затраты на восполнение экологического ущерба от ТЭС различного типа:

Промышленное развитие энергетики как отрасли экономики началось с создания системы переменного тока (1886 г.), соответствующего оборудования для генерации электрической энергии, трансформации напряжения и переноса электроэнергии на значительные расстояния. Параллельно строились тепловые и гидравлические станции для производства электроэнергии. Сегодня на ТЭС подавляющее большинство генераторов электрического тока имеет турбинный привод. Паросиловые установки с паровыми турбинами производят до 80 % электроэнергии в Российской Федерации.

В конце Х в. Густая Лаваль (Швеция) и Чарльз Парсонс (Англия) создали первые промышленные паровые турбины. Постоянно совершенствуя, их применяют и до настоящего времени, повышая параметры пара и единичную мощность паросиловых установок.

ЛЕКЦИЯ 2

(сл. 13…22)

1. НАЗНАЧЕНИЕ, СОСТАВ И СТРУКТУРА СИСТЕМ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ

Учебные вопросы: Энергия, ее виды и формы. Параметры состояния рабоче-го тела (давление, температура, объем, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия )

ЭНЕРГИЯ — способность тела или системы тел совершать работу. Существующие формы или виды энергии могут быть подразделены на м е х а н ич е с к у ю, электромагнитную, и внутреннюю. К последней относятся т е п л о в а я, х и м и ч е с к а я и внутриядерная (атомная) энергия.

Различные виды энергии могут превращаться в др. виды энергии в полном соответствии с законом сохранения энергии. ( Сохранения энергии закон – энергия не создается из ничего и не уничтожается, а лишь переходит из одной формы в другую).

Если энергии является результатом изменения состояния движения материальных точек или тел, то такая энергии называется кинетической .

К кинетической энергии относят, например, энергию д в и ж е н и я т е л а как целого (например, энергию поступательного движения тела, энергию вращающегося тела), т е п л о в у ю энергию, которая представляет собой энергию беспорядочного движения молекул.

Если энергия является результатом изменения взаимного расположения частей данной системы или ее положения по отношению к др. телам, то такая энергия называется потенциальной энергией. К потенциальной энергии причисляют, например, энергию м а с с, притягивающихся по закону всемирного тяготения (например, энергия поднятого над землей тела, точнее говоря, системы поднятого тела и Земли); энергия положения однородных частиц (например, Э. упругого деформированного тела); химическую Э.

Основным источником Э. всей современной техники является энергия солнечных лучей. Под действием этих лучей хлорофилл растений разлагает углекислоту поглощаемую из воздуха, на кислород и углерод, причем последний отлагается в частях растений. Таким образом, уголь, торф и дрова представляют собой запасы лучистой Э. солнца, извлеченные хлорофиллом в более или менее отдаленные времена и запасенные в виде химической Э. угля и углеводородов. Водяная Э. (белый уголь) также получается за счет солнечной Э., испаряющей воду и поднимающей пар в высокие слои атмосферы. В е т е р, используемый в ветряных двигателях, возникает в результате различного по мощности нагревания солнцем земли в различных местах.

Огромные запасы Э. заключаются в ядрах атомов химических элементов. См. Атомная (ядерная) энергия.