ГОБУ ВПО «Сургутский государственный университет ХМАО – Югры» Политехнический институт

Кафедра «Радиоэлектроники»

Е.В. Шилова

ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Конспект лекций

Сургут, 2013г.

АННОТАЦИЯ

Конспект лекций предназначен для студентов, обучающихся по специальности «Электроэнергетика». Данные лекции построены на основе теоретического материала, содержащего основные сведения о схемах и принципах работы тепловых электрических станций, АЭС, ГЭС и т.п., рассмотрены основы технической термодинамики и теории теплообмена, представлено основное высоковольтное оборудование, параметры электрической системы. Также включены примеры решений практических задач, применяемых в технологических процессах. Представлены задания для самостоятельного решения, контрольные задачи и тесты. Даны методические указания по изучению теоретического материала, выполнению практических и контрольных заданий, списки основных и дополнительных информационных источников.

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие……………………………………………………………………

Тема 1. Энергетика и ее роль в жизнедеятельности человека

Современные тенденции развития энергетики. Энергетика и прогресс общества. Геополитическое распределение потребителей энергии

Тема 2. Основные положения технической термодинамики

2.1. Основные понятия и определения …………………….…..

2.2. Параметры термодинамической системы

2.3. Термодинамические процессы

2.4. Первый закон термодинамики …..…………..……

2.5. Второй закон термодинамики………………….….….

2.6. Понятие теплоемкости. Классификация теплоемкости

Тема 3. Потребление и производство электроэнергии

3.1. Производство электроэнергии 3.2. Основное оборудование электрических станций

3.2.1 Синхронный генератор 3.2.2 Силовые трансформаторы 3.2.3. Высоковольтные выключатели 3.2.4. Разъединители

Контрольный тест ………………………………………………..….

Тема 4. Тепловые электрические станции

4.1. Технологическая схема преобразования энергии на ТЭС ……

4.2. Основное оборудование блока ТЭС ……………..…………….

4.3. Повышения КПД ТЭС…………………………………………..

4.4. Проблемы экологии ТЭС………………………………….…….

Тема 5. Гидравлические электрические стации ……………………

5.1. Общие сведения……………………………………………………..

5.2. Классификация ГЭС…………………………………………………

5.3. Принцип действия ГЭС приплотинного типа.

5.4. Преимущества и недостатки гидроэлектростанций.

Тема 6. Атомные электрические станции

6.1. Историческая справка……………………………

6.2. Преимущества и недостатки АЭС …………………….…...

6.3. АЭС на тепловых нейтронах ……………………………….…...

6.4. Реакторы на быстрых нейтронах ………….…………………....

Контрольный тест …………………………………………………...

Тема 7. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. 7.1. Использование солнечной энергии 7.2. Геотермальные электростанции 7.3. Ветровая энергия 7.4. Малые гидроэлектростанции 7.5. Использование энергии биомассы 7.6. Энергия мирового океана

Тема 8. Системы теплоснабжения

8.1. Основные понятия и определения

8.2. Классификация систем теплоснабжения

Тема 9. Электрические сети

9.1. Основные понятия и определения

9.2. Классификация электрических сетей

Рекомендуемая литература

Основная литература …………………….…………………………..

Дополнительная литература ………..……………………………….

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий конспект лекций, читаемый для студентов специальности «Электроэнергетика», составлен на основе теоретического материала, содержащего основы технической термодинамики и теории теплообмена, принципы работы тепловых электрических станций, АЭС, ГЭС и т.п., принципы технологических процессов, а также на основе опыта практической работы в отрасли и публикаций по проблемам развития энергетики страны.

Цель изучения данной дисциплины – получение общего представления о составляющих общей энергетики: теплоэнергетики и электроэнергетики.

В рамках этой дисциплины эскизно рассматриваются отдельные темы, которые в дальнейшем на следующих курсах обучения станут предметом изучения в нескольких больших по объёму специальных дисциплинах.

Полученные представления об энергетике найдут дальнейшее развитие в таких дисциплинах как «Оперативно-диспетчерское управление», «Электрические станции и подстанции», «Электрические системы и сети», «Релейная защита и автоматизация», «АСУ и оптимизация режимов» и другие.

Большая часть представленного теоретического материала опирается на практический опыт работы в отрасли, приведены реальные показатели работы действующих объектов энергетической системы города Сургута, что приобретает наибольшую значимость для подготовки специалистов для работы на энергетических объектах Ханты-Мансийского автономного округа - Югра.

Тема 1. Энергетика и ее роль в жизнедеятельности человека

1.1. Современные тенденции развития энергетики.

Потребление энергии является обязательным условием существования человечества. Наличие доступной для потребления энергии всегда было необходимо для удовлетворения потребностей человека, увеличения продолжительности и улучшения условий его жизни.

История цивилизации — история изобретения все новых и новых методов преобразования энергии, освоения ее новых источников и в конечном итоге увеличения энергопотребления.

Первый скачок в росте энергопотребления произошел, когда человек научился добывать огонь и использовать его для приготовления пищи и обогрева своих жилищ. Источниками энергии в этот период служили дрова и мускульная сила человека. Следующий важный этап связан с изобретением колеса, созданием разнообразных орудий труда, развитием кузнечного производства. К XV в. средневековый человек, используя рабочий скот, энергию воды и ветра, дрова и небольшое количество угля, уже потреблял приблизительно в 10 раз больше, чем первобытный человек. Особенно заметное увеличение мирового потребления энергии произошло за последние 200 лет, прошедшие с начала индустриальной эпохи, — оно возросло в 30 раз и достигло в 2001 г. 14,3 Гт у.т/год. Человек индустриального общества потребляет в 100 раз больше энергии, чем первобытный человек, и живет в 4 раза дольше.

В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережали темпы развития других отраслей.

В то же время энергетика — один из источников неблагоприятного воздействия на окружающую среду и человека. Она влияет на атмосферу (потребление кислорода, выбросы газов, влаги и твердых частиц), гидро­сферу (потребление воды, создание искусственных водохранилищ, сбросы загрязненных и нагретых вод, жидких отходов), биосферу (выбросы токсичных веществ) и на литосферу (потребление ископаемых топлив, изменение ландшафта).

Несмотря на отмеченные факторы отрицательного воздействия энергетики на окружающую среду, рост потребления энергии не вызывал особой тревоги у широкой общественности, так как было ясно, каким образом с технической точки зрения можно уменьшить или вообще исключить это воздействие. Так продолжалось до середины 70-х годов прошлого века, когда в руках специалистов оказались многочисленные данные, свидетельствующие о сильном антропогенном давлении на климатическую систему , что таит угрозу глобальной катастрофы при неконтролируемом росте энергопотребления. С тех пор ни одна другая научная проблема не привлекает такого пристального внимания, как проблема настоящих, а в особенности предстоящих изменений климата.

Считается, что главной причиной этого изменения является энергетика, причем под энергетикой понимается любая область человеческой деятельности, связанная с производством и потреблением энергии. Значительная (78 % в 2001 г.) часть энергетики обеспечивается потреблением энергии, освобождающейся при сжигании органического ископаемого топлива (нефти, угля и газа), что, в свою очередь, приводит к выбросу в атмосферу диоксида углерода (СО₂), который обладает способностью удерживать отраженное Землей солнечное излучение. В результате накопления СО₂ и других многоатомных газов, среди которых наиболее важными являются метан (СН₄) и оксид азота (NO₂), происходит разогрев земной атмосферы. Это явление называется парниковым эффектом.

Считается, что уменьшить это явление можно сократив эмиссию диоксида углерода за счет сокращения объемов потребляемого органического топлива. Такой упрощенный подход уже наносит реальный вред мировой экономике и может нанести смертельный удар по экономике тех стран, которые еще не достигли необходимого для завершения индустриальной стадии развития уровня потребления энергии.

1.2. Энергетика и прогресс общества.

На становлении развития человечества можно выделить три основные топливные эры. Первая и начальная эра – это эра Древесного топлива. Вторая эра с XVI-XIX вв. – эра Угольного топлива. С 30х годов XX столетия появляются новые источники энергии – это газ и нефть. Данный этап развития энергетики представляет собой третью эру нефти и газа. В настоящее время в основном используется углеводородное топливо (60% всего потребления энергоресурсов).

В настоящее время различают 5 технологических укладов, соответствующих разным историческим эпохам.

I технологический клад соответствует расцвету текстильной промышленности и энергетически основывается на древесном топливе, энергии водяного колеса.

II технологический уклад возник на основе парового двигателя, работающего на угле. Бурно развивается угольная промышленность, черная металлургия и машиностроение. Начинает распространяться железнодорожный транспорт. Исторически этот период характеризуется как первая промышленная революция и начало индустриализации производства и урбанизации общества.

III технологический уклад связан с развитием сталелитейного производства, проката, электроэнергетики, электротехники и неорганической химии. Распространяется автотранспорт, приводимый в движение двигателем внутреннего сгорания. Используется электрифицированный городской транспорт. В рамках данного уклада получила развитие как III топливная эра, так и электрификация экономики и общества. Началось становление сферы услуг.

IV технологический уклад связан с дальнейшей модернизацией общества, развитием нефтепереработки и нефтехимии, органической химии, цветной металлургии. Сфера услуг получила бурное развитие. Домашнее хозяйство широко оснащается бытовой техникой. Широко распространяются высококачественные металлы, сплавы, пластмассы. Появляются новые строительные технологии. Транспорт применяется автомобильный, железнодорожный, водный, авиатранспорт.

V технологический уклад предполагает революции в сферах обращения информации и управления. Развиваются телекоммуникации, компьютерные и информационные технологии, роботостроение.

Процесс энергообеспечения, энергетические ресурсы, энергоносители– это составляющие мощного народно-хозяйственного комплекса, а именно энергетического комплекса. По-другому, энергетику можно определить как систему процессов воспроизводства, первичной доставки, преобразования, распределения и потребления энергоресурсов. Указанные процессы представляют собой стадии единого процесса энергообеспечения экономики и общества.

3. Геополитическое распределение потребителей энергии.

Следует напомнить понятие условного топлива. Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгорания, измеряемая в кДж/кг или в ккал/кг и определяющая количество тепловой энергии выделяемой при сгорании 1 кг натурального топлива. Для объективной оценки эффективности процессов выработки энергии на объектах, которые работают на разных видах топлива, вводят понятие условного топлива (у.т.), имеющего фиксированную теплоту сгорания, равную 7000 ккал/кг.

В основу классификации регионов земного шара положены две характеристики, определяющие потребность в энергии: удельное энергопотребление е на душу населения, дающее одновременно представление о степени экономического развития, и динамика изменения численности населения (годовой естественный прирост AGR) — интегральный демографический показатель, в определенной мере отражающий социальное благополучие нации. AGR представляет собой разность между рождаемостью и смертностью (без учета миграции, которая для многих стран, таких, как США, Австралия, Израиль, может искажать истинную картину).

Еще в 40—50-х годах XX в. в работах американского социолога Л.А. Уайта было показано, что потребление энергии на душу населения является важнейшим экономическим и социальным детерминантом, пол­ностью определяющим не только уровень жизни конкретной страны, но и этап исторического развития, на котором эта страна находится. Известно, что в наиболее богатых странах мира на душу населения приходится сейчас 10—14 т у.т/год (США, Канада, Норвегия), в беднейших же этот показатель едва достигает 0,3—0,4 т у.т/год (Бангладеш, Мали, Чад).

Однако, для многих стран мира значительная часть этих ресурсов расходуется исключительно на противостояние неблагоприятным природным условиям (слишком холодный или слишком жаркий климат, большие расстояния, высокие горы и т.д.) и ничего не добавляет к богатству страны.

Таким образом, природные условия, и в первую очередь климат, также составляют ресурс любого государства. Это означает, что страны, находящиеся в благоприятном климате, пользуются такими же преимуществами, как и те, которые располагают дополнительными запасами нефти, угля или газа. Отсюда следует, что любая адекватная оценка реального благосостояния страны должна включать, кроме энергетических показателей, количественную характеристику природных условий.

Период Новой истории, традиционно отсчитываемый от Великой французской революции, характеризуется быстрым и значительным ростом потребления энергии на душу населения, которое увеличилось почти в 5 раз за последние 200 лет. Это позволило решить столь грандиозные задачи, как увеличение более чем вдвое средней продолжительности жизни, сокращение почти вдвое продолжительности рабочей недели, обеспечение продуктами питания возросшего в 7 раз населения Земли и т.д.

Каждому следующему этапу Новой истории соответствовал вполне определенный уровень энергопотребления, который в этом случае приобретает значение индикатора фазы исторического развития. Современный этап исторического развития может быть охарактеризован как переходный от индустриального к постиндустриальному, в котором центр материальной деятельности общества переносится из сферы промышленности и сельского хозяйства в сферу услуг.