О

W

Реакторное

здание

ЫЦМЙ НИДСОШ'ВП ИНОЙ АЭС

Т урбогенераторы

1 Паровая flr _ турбина ГГ

Трансформатор

Бак для V обессоленной воды

Бак для опорожнения второго контура

Главный

охлаждающий

насос

Б

Административное

здание

лочный Парогенератор Главный j

^1ЦИТ циркули рный

управления _насос

!

Стальная

защитная

оболочка

Хранилище для отработанно1 топлива

Хранилище ДЛЯ жидких отходов

Корпус

реактора

В. А. ВЕНИКОВ, Е. В. ПУТЯТИН

ВВЕДЕНИЕ

В

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ

Электроэнергетика

Под редакцией лауреата Ленинской и Государственной премий СССР ,

д-ра техн. наук, проф. В. А. ВЕНИКОВА

ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов электроэнергетических специальностей вузов

Ussumtij р 'V'-' ЪО ил

L

о©

30

U if;

К" "f -'и .. -I

• Й¥. Гвхн»? ■: v ^-, -^f! Н>ТМ TV V«?

МОСКВА

’’ВЫСШАЯ ШКОЛА’ 1988

ББК 31 В 29 УДК 620.9(075)

Рецензент

кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий» Ждановского металлургического института (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. И. В. Жежеленко)

Веников В. А., Путятин Е. В.

В29 Введение в специальность: Электроэнергетика: Учеб. для вузов/Под ред. В. А. Веникова.— 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1988.—239 с.: ил.

Книга знакомит первокурсников со специальными дисциплинами, прививает им определенный строй мышления, раскрывает назначение смежных дисциплин.

В ней освещены все стороны электроэнергетического производства и энергетической науки, рассматриваемые с точки зрения как истори­ческого, так и естественнонаучного обоснования, экономической эф­фективности ж конструктивного воплощения.

Второе издание (1-е — в 1978 г.) существенно переработано.

„ 2302040000(4309000000)—158 , , _ог> ББК 31

В ¹ 121—88 6П2

001(01)—88

© Издательство «Высшая школа», 1978 © Издательство «Высшая школа», 1988, с изменениями

Второе издание настоящей книги является учебником по дисциплине «Введение в специальность» (Электро­энергетика), предназначенным для студентов первого курса электроэнергетических специальностей вузов. Кни­га может быть полезной также учащимся старших клас­сов среднеобразовательных школ и лицам, интересую­щимся электроэнергетикой и выбирающим профессию.

Новое издание книги существенно отличается от пре­дыдущего. Изменена последовательность изложения ма­териала. Так, влияние техники и энергетики на окружаю­щую среду рассмотрено в заключительной пятой главе, что представляется более удобным для изучения этих вопросов, так как предшествующие главы знакомят чи­тателя с принципами работы энергетического оборудо­вания и с проблемами развития энергетических систем. Все главы книги переработаны с учетом изменений в развитии электроэнергетических систем, новых тенден­ций и новых показателей, характеризующих основные стадии энергетического производства. Отражены реше­ния XXVII съезда КПСС и «Основные направления пе­рестройки высшего и среднего специального образования в стране», определяющие развитие энергетики и подго­товку инженеров высокой квалификации. Опущены или сокращены некоторые теоретические положения* поясня­ющие процессы в энергетических установках, которые изучаются подробнее в последующих специальных дис­циплинах. Однако авторы, как и в предыдущем издании, стремились изложение сделать логически завершенным и по возможности раскрывали физические закономерно­сти, лежащие в основе рассматриваемых процессов.

Развитие энергетического производства, совершенст­вование энергетической техники рассматривается в кни­ге в историческом аспекте. Современное состояние и пер­спективы энергетики излагаются с учетом ее пе­рестройки.

Авторы выражают глубокую благодарность рецензен­там первого издания книги д-ру техн. наук, проф. Д. А. Арзамасцеву, коллективу кафедры «Электрические системы» Иркутского политехнического института (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В. И. Идельчик), а так­же коллективу кафедры физики МЭИ (д-р физ.-мат. на­ук, проф. В. А. Фабрикант, канд. пед. наук Е. М. Ново­дворская) за сделанные при просмотре рукописи замеча­ния. Авторы благодарят также рецензента рукописи вто­рого издания д-ра техн. наук, проф. И. В. Жежеленко за полезную дискуссию по рукописи.

Все пожелания и замечания по книге авторы просят направлять по адресу: 101430, Москва, ГСП-4, Неглин­ная ул., 29/14, издательство «Высшая школа».

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

В.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЦИПЛИНЫ

Дисциплина «Введение в специальность» знакомит первокурсников с их будущей специальностью — энерге­тикой, ее значением в современном обществе, историей развития и влиянием ее на технический прогресс. От то­го, насколько заинтересуется студент будущей специаль­ностью, в значительной степени зависит его последующая студенческая и даже инженерная биография. В процессе учебы студент получает не только представление о бу­дущей специальности, но и определенные навыки рабо­ты в вузе. Эта единственная за все время обучения об­щеэнергетическая дисциплина дает представление о всех разделах энергетики и их взаимосвязях, энергетических системах и основных, происходящих в них процессах преобразования, передачи и потребления энергии, прин­ципах работы и конструктивном выполнении энергетиче­ских установок, современном состоянии и перспективах развития энергетики.

Энергетика как сфера деятельности человеческого об­щества является большой глобальной системой, вклю­чающей как подсистемы окружающую среду и различные отрасли народного хозяйства.

Понятия «энергетика» и «энергетическая наука» упо­требляются давно, однако вкладываемый в них в настоя­щее время смысл нельзя считать установившимся.

Под энергетикой, или энергетической системой, следу- рт понимать совокупность больших естественных (при­родных) и искусственных (созданных человеком) систем, Предназначенных для получения, преобразования, рас­пределения и использования в народном хозяйстве энер­гетических ресурсов всех видов ¹. На рис. В.1 показана Такая совокупность систем, их прямые (сплошные линии) И обратные (штриховые линии) связи. При этом подчер­кивается системный подход к энергетике, т. е. она рас­сматривается как большая система, включающая в себя на правах подсистем части других больших систем.

Энергетика имеет большое значение в жизни челове­чества. Уровень ее развития отражает уровень развития производительных сил общества и возможности научно- технического прогресса.

Рис. В.1. Структурная схема энергетики и связей ее с дру­гими подсистемами

Развитие энергетики в СССР начиналось с плана ГОЭЛРО, который не случайно называется Ленин­ским планом электрификации России. В этом названии не просто дань памяти основателю Со­ветского государства, партии: именно идеи В. И. Ле­

н и н а, заложенные в этот план, материально реализова­лись и составили энергетику как отрасль народного хо­зяйства. Идеи В. И. Ленина, развитые далее Г. М. Кржи­жановским, легли в основу современной энергетической пауки, рассматривающей энергетику как большую систему, являющуюся совокупностью развивающихся искусственных систем, взаимодействующих с естествен­ными системами. Отдельные подсистемы большой систе­мы энергетики являются, в свою очередь, также больши­ми системами.

Три аспекта энергетики. Энергетика в ее современ­ном состоянии и тем более в ее развитии должна рас­сматриваться в трех аспектах — техническом, со­циально-политическом и биосфериче- с к о м, или экологическом.

По мере развития энергетики эти три аспекта прояв­ляются в большой глобальной системе и в отдельных ее подсистемах, например, электроэнергетике, гидроэнерге­тике, топливоснабжении и т. д. При этом следует иметь и виду тесную взаимосвязь аспектов, которая при после­довательном рассмотрении их свойств может не учиты­ваться.

Технический аспект энергетики характеризу­ется прежде всего огромными мощностями, которые по­лучает человек, используя энергетический потенциал пла­неты. Так, мощность электростанций, существующих в настоящее время в мире, составляет около 2 млрд. кВт. Общая же мощность всех энергетических установок до­стигает 10 млрд. кВт. Для обеспечения этих мощностей человек ежегодно берет у природы разного топлива, при­целенного к условному¹, массой не менее 40—50 млрд. т. При этом КПД использования взятых у природы энерге­тических ресурсов не очень велик — не более 0,2%. От­сюда возникает одна из основных задач энергетики —

( пижение потерь энергии на всех стадиях ее преобразо­вания (от получения энергетических ресурсов до конеч­ного их использования). Для этого необходимо и улуч­шение оборудования, и более разумное использование по­лученной энергии, что уже выходит из сферы чисто тех­нической и должно рассматриваться в социальном ас­пекте.

Снижение потерь при передаче, получении и распре­делении электрической энергии зависит в значительной степени от количества израсходованного металла, в ос­новном алюминия. Допуская большие плотности тока в сечении провода (1,0—1,2 А/мм²), снижают расход алю­миния, но увеличивают потери электроэнергии. Измене­ние мировой конъюнктуры в отношении цен на алюминий таково, что этот металл становится дешевле, поэтому в энергетике капиталистических стран проявляется тенден­ция к резкому снижению плотностей тока (0,35 А/мм²). Следовательно, стоимость алюминия непосредственно влияет на выбор сечения проводов линий электропередач, т. е. на определение технических характеристик электри­ческой системы. Снижение потерь энергии путем утепле­ния промышленных и жилых зданий, выработки пра­вильных тарифов на электроэнергию, которые бы стиму­лировали потребление энергии в «провалах» графика на­грузки и приводили бы к уменьшению этого потребления во время максимумов, определяется успешным решением социально-экономических задач.

Вопросы быстро нарастающего использования энерге­тических ресурсов планеты должны рассматриваться не только в техническом аспекте, но и в аспекте влияния энергетических установок и процессов добычи топлива на окружающую среду, т. е. в аспекте экологиче­ском. При этом возникает общий технико-экологиче- ский вопрос: при столь высоких темпах развития энерге­тики не наступит ли полное истощение всех запасов топ­лива и не произойдет ли это раньше, чем человечество получит в свое распоряжение новые огромные ресурсы термоядерной энергии. Запасы топлива на планете оце­ниваются по-разному, с очень большими расхождениями в зависимости от вида запасов: готовые к использованию оцениваются в 25 трлн. МВт-ч, разведанные составляют 50 трлн. МВт-ч, а прогнозируемые—100 трлн. МВт-ч. Иными словами, соотношение запасов в зависимости от вида можно записать как 1:2:4. Кроме того, на приве­денные цифры существенно влияет способ подсчета за­пасов топлива, а именно: учитывалось ли топливо, на­ходящееся на морском дне, учитывались ли битуминоз­ные пески, какая глубина добычи топлива предполага­лась и т. д. Во всяком случае можно утверждать, что еще не на одну сотню лет человечеству хватит ископае­мого топлива, получаемого из недр планеты. Например, предполагается, что угля хватит на 600—700 лет. Это, конечно, не означает, что экономия топлива не является важнейшей задачей. Энергетическая система СССР ¹ по­казывает важность сбережений расходуемых энергоре­сурсов. В связи с этим приводится ряд мероприятий, в частности увеличение объема централизованного тепло­снабжения потребителей с 65 до 72%, что дает экономию примерно 10 млн. руб. в год ¹.

Расходование топлива относится не только к техни­ческому и биосферическому аспектам, но и в значитель­ной мере к социально-политическому аспек- ту. Так, 30% населения земного шара потребляет более 90% всей вырабатываемой на планете энергии, на долю же 70% населения, преимущественно в развивающихся странах, приходится менее 10% всей энергии. Между тем, уровень промышленности, состояние быта и развитие культуры теснейшим образом связаны с количеством ис­пользуемой энергии.

Запасы энергии разных видов распределены на пла­нете неравномерно и по количеству, и по возможности их реализации ². В этом плане интересно сопоставить требуемое число скважин для добычи 500 млн. т нефти в разных странах. В США для этого необходимо 500 тыс. скважин, в СССР — 50 тыс. скважин, в Иране — только 600 скважин, в Саудовской Аравии-—300, в Кувейте — 100 скважин. Многие из стран, потребляющих наиболь­шее количество энергии (70%), используют импортируе­мые энергоносители. Так, Япония более 80% энергетиче­ских ресурсов (преимущественно нефть) ввозит из стран, лежащих в районе Персидского залива. Европейские страны получают оттуда же около 20% энергии. США, резко снизившие количество энергии, получаемой из это­го региона (не более 3—5%), тем не менее объявляют район Персидского залива сферой своих жизненных ин­тересов³. Не случайно происходящие в мире полити­ческие события печать западных стран и США склонна обыгрывать с позиций жизненно важных энергетических интересов. В западных странах, проводя анализ разви­тия энергетики СССР, часто утверждают, что к 1990 г. СССР из экспортера различных видов энергии должен превратиться в импортера и, в частности, что страны- члены СЭВ не смогут получать энергетические ресурсы из СССР в прежнем количестве. О беспочвенности этих соображений свидетельствуют следующие факты ⁴: в 50— 60-х годах СССР экспортировал в страны-члены СЭВ га­за—1,6 млрд. м³, нефти — 60 млн. т, электроэнергии — 3,5 млрд. кВт-ч; в 75—80-х годах соответственно (в тех же единицах): 80, 380, 65.

Политика СССР в этом отношении резко отличается от политики США, которые, осуществляя внешнеэконо­мическую экспансию, получают 125—150 млрд. долл. ежегодно. Хозяйничание транснациональных корпораций обходится развивающимся странам в 50—100 млрд. долл. в год. В 1981—1982 гг. повышение учетных ставок выну­дило должников выплатить кредиторам на 40 млрд. долл. больше, чем первоначально было договорено. За это же время доходы развивающихся стран от экспорта сокра­тились еще на 40 млрд. долл., а цены на сырье, которое продают эти страны, опустились до самой низкой отмет­ки за последние 50 лет. По официальным сведениям, в 1983 г. в виде процентов по займам и прибылей из Ла­тинской Америки за границу, в первую очередь в США, выплачен 31 млрд. долл. (плюс не один десяток милли­ардов тайно) ¹. Как видно, это существенно отличается от экономической и энергетической политики СССР, ко­торая помогла сэкономить странам-членам СЭВ не один десяток миллиардов долларов. Заметим, что доля СССР в мировом производстве энергии растет². В 1985 г. суммарная мощность электростанций в СССР достигла 315 млн. кВт, а выработка энергии в этом же году со­ставила 1544 млрд. кВт-ч. За 9 месяцев 1987 г. вырабо­тано 1213 млрд. кВт-ч.

Разумеется, СССР испытывает трудности в получении энергетических ресурсов, связанные прежде всего с тем, что они оказываются лежащими все дальше от обжитых территорий. Поэтому и для отыскания и для реализации этих ресурсов, которые, вообще говоря, значительны, приходится проводить все большие и большие работы.

Так, потенциальные текущие запасы угля, приведенные к условному топливу, в СССР составляют не менее 4350 млрд. т. Только в одном Канско-Ачинском бассей­не запасы угля, пригодные для открытой разработки, ко­торая в 5 раз дешевле, чем в шахтах (3 и 15 руб.), оце­ниваются в 140 млрд. т и за счет их можно удовлетво­рить более ^lU всего современного потребления топлива в Советском Союзе ¹. Следовательно, дело не в истоще- иии запасов, а в определенных, но вполне преодолимых трудностях их реализации, в частности в росте удель­ных капиталовложений в топливно-энергетический комп­лекс. В настоящее время они почти втрое больше, чем в 1960 г.

Созданные человеком энергетические установки, име­ющие огромные суммарные мощности, оказывают замет­ное влияние на естественные процессы, происходящие в биосфере. Это влияние во многих случаях носит негатив­ный характер, который необходимо учитывать при рас­смотрении биосферического аспекта энерге­тики. Еще Ф. Энгельс говорил о том, что если человек подходит к природе как завоеватель, он оставляет после себя пустыню. Эти слова в настоящее время приобрета­ют особый смысл, требуя от человека познания законов природы и организации своей деятельности в соответст­вии с ними. Здесь, однако, возникает противоречие: с од­ной стороны, выступает мощная техника, а с другой — капиталистическая система, стремящаяся любой ценой получить прибыль, не склонна согласовывать эту техни­ку с законами природы. Отсюда появляется задача ши­рокого управления энергетикой, такого управления, ко­торое бы осуществлялось не только в техническом аспек­те, но и аспекте биосферическом, тесно связанном с со­циально-политическим аспектом. Техника открывает не­ограниченные возможности для организации управления: использование кибернетических методов, сбор и переда­ча информации, широкое использование ЭВМ, микропро­цессорной техники и т. д. Но эти возможности ограничи­ваются социально-политическими и экономическими ус­ловиями существования и развития капиталистического общества.

К. Маркс, наблюдая первые примеры применения эле­ктричества, заметил, что в технике появилась новая си­

ла, которая так эту технику изменит, что буржуазия не сможет ею управлять. Многие политические и техниче­ские деятели Запада считают, что слова К- Маркса уста­рели и жизнь опровергает их, поскольку и капиталисти­ческая Европа, и тем более США развивают энергетику и управляют ею. Здесь, однако, отвечая на вопрос, ошибся ли К. Маркс в своей характеристике, нужно бо­лее внимательно проанализировать количественное и ка­чественное развитие энергетики во всех трех аспектах. Надо учесть, что современные теоретики и практики ка­питализма полагают (и осуществляют эти положения на практике), что нужно применять методы, которые по су­ществу не являются чисто капиталистическими. Так, во Франции, Великобритании, Италии и других странах энергетика национализирована и в этом плане приобрела особенности, не свойственные капиталистической систе­ме. Энергетика США, имеющая большие резервы, испы­тывала серьезнейшие трудности и, в частности, в ней произошли крупные аварии. Не пожелав идти по якобы «коммунистическому» пути национализации энергетики, в США создали так называемые пулы и сверхпулы, т. е. объединения отдельных частных компаний, в которых стали пытаться применять единое иерархическое управ­ление, системную автоматику, подражая в этом отноше­нии Советскому Союзу¹ и странам, имеющим национа­лизированную энергетику. Однако результат здесь до­стигнут только частично, так как вопросы рационально­го использования природных ресурсов, разумного соци­ального использования различных видов энергии и осо­бенно отрицательных экологических влияний энергоуста­новок не были решены. Между тем, именно экологиче­ские и социально-политические аспекты современной энергетики являются особенно острыми.

Таким образом, отнюдь не устарели и не стали оши­бочными слова К. Маркса о трудностях управления раз­вивающейся в трех аспектах промышленности вообще и энергетики в частности. Напротив, они приобретают все большее значение.

На развитие технических проблем оказывают влияние экологические и психологические факторы. Ярким приме­ром здесь может служить создание линий электропереда­чи сверхвысокого напряжения (1200 кВ), сооружение ко­торых в США задерживается из-за отрицательного об­щественного мнения, которое подогревается конкуриру­ющими компаниями, отражается также в соответствую­щих постановлениях или даже в законах отдельных шта­тов, запрещающих проводить линии высокого напряже­ния по территории данного штата. Искусственное созда­ние такого общественного мнения базируется, можно ска­зать, на обывательских представлениях о влиянии излу­чений вообще и, в частности, электромагнитных излуче­ний высоковольтных передач на живые организмы и рас­тения. Со времен Герца и Попова, открывших и приме­нивших элекромагнитные волны, было молчаливо при­нято, что поскольку живой организм непосредственно не ощущает этих излучений, то какое-либо влияние их на организм отсутствует. Однако оказалось, что в зависи­мости от частоты излучений (частоты колебаний) и на­пряженности поля, создаваемого этими колебаниями (градиента), такое влияние может быть или значитель­ным, или практически незаметным. Так, при градиенте 20 кВ/м пребывание в электромагнитом поле даже в те­чение нескольких минут вызывает те или иные функцио­нальные расстройства организма. Однако если умень­шить этот градиент до 5 кВ/м, то никаких неприятных явлений и последствий не ощущается. На расстоянии 10—15 м от линии электропередачи ее влияние на орга­низм полностью отсутствует.

Усиленные публикации за рубежом о якобы сущест­венном влиянии электропередачи на живые организмы оказываются, следовательно, часто преувеличенными. Такое же положение существует и в отношении атомных станций, которые при разумном их размещении, нор­мальной эксплуатации, правильном конструировании, применении надлежащей защиты и контроля за возмож­ными излучениями достаточно безопасны. Необоснован­ные опасения приводят к задержке пуска атомных эле­ктростанций (особенно в США) или к их консервации, как, например, в Австрии, где после всенародного ре­ферендума атомная электростанция, полностью готовая к эксплуатации, не была пущена в эксплуатацию.

Если проектирование и сооружение энергетических объектов ведется без должного учета их влияния на био­сферу, то это может приводить к серьезным последстви­ям. Так, построенная на границе Бразилии и Парагвая в настоящее время самая мощная в мире электростанция (Итайпу), имеющая 18 генераторов по 720 МВт, с общей мощностью 12960 МВт вызвала ряд серьезных послед­ствий в виде землетрясений, появление которых связано с сооружением мощной плотины и водохранилища, при­чем землетрясения были такой силы, что обычно приня­тая шкала Рихтера оказалась недостаточной для их оценки.

Другим примером влияния аспекта биосферы может служить проект гидростанции в Гибралтаре, которая мог­ла бы обеспечить дешевой электроэнергией всю Европу. От сооружения гидростанции отказались, так как по­следствия его были бы очень тяжелыми и далеко иду­щими. Ожидалось, что в результате создания плотины Средиземное море изменит давление на дно, в результа­те чего изменится вулканическая деятельность во всем регионе. Отделение Средиземного моря от океана плоти­ной вызовет повышение его засоления и полную гибель всего живого, находящегося в море. Изменение водного баланса приведет к тому, что море отойдет от берегов и такие города, как Ницца и Марсель во Франции, Бари в Италии, окажутся не приморскими городами, а города­ми, находящимися среди песчаной пустыни. Разумеется, при этом ухудшился бы климат не только района Среди­земного моря, но и всей Европы. Все эти вместе взятые и многие другие факторы способствовали отказу от та­кого заманчивого в техническом и экономическом отно­шении сооружения.

В ряде стран, в первую очередь, разумеется, в тех, где широко развит туризм, остро стоит вопрос об изменении ландшафта сооружением линий электропередачи, труб электростанций и др., что отпугивает туристов. Во Фран­ции, Австрии, Италии энергетиками проводятся специ­альные работы, определяющие влияние технических со­оружений на ландшафт. При этом оказывается, что в ря­де случаев именно из-за этого влияния приходится ме­нять технические решения. Например, снабжение юга Италии электроэнергией могло бы осуществляться 5—8 линиями существующего напряжения 400 кВ. Однако при этом потребуется большая площадь (большая полоса) отчуждения, а опоры и провода многочисленных линий

передач не впишутся в ландшафт. Более приемлемым оказывается сооружение линии 1200 кВ вдоль автомо­бильной трассы, что нанесет минимальный эстетический урон окружающей среде. Таким образом, появляется но­вый вид отрицательного влияния на окружающую сре­ду — эстетическое.

Энергетика, впрочем, как и вся промышленность, ока­зывает следующие отрицательные воздействия на окру­жающую среду: 1) механическое загрязнение воздуха, воды и земли частицами непереработанного продукта (зола и др.); 2) химическое загрязнение воздуха, воды и земли; 3) радиоактивное загрязнение воздуха, воды и земли; 4) тепловое загрязнение; 5) ионизационное за­грязнение; 6) электромагнитное высоко- и низкочастот­ное загрязнение; 7) шумовое загрязнение; 8) расход воз­духа (кислорода); 9) расход земли; 10) расход воды.

Рассмотренные влияния определенным образом отра­жаются на климате, меняя энергетику атмосферы, воз­можности управления которой пока в достаточной мере не выяснены. Эти виды влияний и их количественные значения различны в разных регионах мира.

Таковы общие итоги рассмотрения энергетики как большой системы и трех ее основных аспектов.

Энергетическая наука. Из понятия энергетики выте­кает понятие энергетической науки, предмет и методы ее изучения. Под энергетической наукой понимается систе­ма знаний о свойствах и взаимодействиях энергетических потоков, влиянии их на человеческое общество в соци­альном, экономическом и научно-техническом планах, влиянии на окружающую среду. Такое определение энер­гетической науки соответствует общему понятию науки как формы общественного сознания, отображенной в си­стему упорядоченных знаний, которые корректируются в ходе социального и научно-технического прогресса.

Энергетическая наука занимается изучением законо­мерностей процессов и явлений, прямо или косвенно свя­занных с получением необходимых для народного хозяй­ства энергетических ресурсов и созданием установок, вы­рабатывающих, преобразующих и потребляющих раз­личные виды энергии.

Развиваясь в тесной связи с электро-, тепло- и гидро­техническими дисциплинами, а также многими другими научными дисциплинами, энергетическая наука требует применения математики, физики, автоматики и киберне­тики. Большое значение имеет управление энергетикой с ее быстро протекающими процессами и огромными мощ­ностями. Здесь требуется автоматическое управление всей энергетикой в широком смысле, включая ее разви­тие и функционирование.

Основой энергетической науки следует считать Ленин­ский план ГОЭЛРО — первый общегосударственный план, определившей значение электрификации для на­родного хозяйства и важность комплексного подхода к энерго- и топливоснабжению страны. Энергетическая наука, понимаемая в широком смысле, развивается в трех основных направлениях:

1. изучение закономерностей развития и оптимальных пропорций энергетики и электрификации, а также изуче­ние природы и свойств больших развивающихся систем в энергетике. Это направление, имеющее своей целью со­вершенствование методов прогнозирования, планирова­ния и эксплуатации систем энергетики, тесно связано с социальными процессами, экономикой страны;

2. совершенствование способов получения, преобразо­вания, передачи, распределения и использования энерго­ресурсов и энергии различных видов; повышение КПД всех энергоустановок и уменьшение их экологического влияния (неблагоприятного воздействия на природу и живые организмы, т. е. на биосферу);

3. создание новых методов и средств получения энер­гии и преобразование различных видов энергии в элект­рическую; разработка новых способов передачи электри­ческой энергии и ее использование в стационарных и пе­редвижных установках. Здесь энергетика очень тесно смыкается с физикой.

Будучи большой системой и взаимодействуя с подси­стемами (см. рис. В.1), энергетика в теоретическом ас­пекте связана с рядом научных дисциплин и обычно рас­сматривается состоящей из отдельных разделов. В этих разделах выделяют общую энергетику, управление энер­гетикой, включая проблемы кибернетики электрических систем, электро-, гидро- и теплоэнергетику, атомную энергетику. К энергетике в широком плане относится также топливоснабжение, включающее в себя снабже­ние ископаемым топливом (углем, торфом, газом, нефтью, ядерным горючим). Каждый из разделов энер­гетики имеет определенные, в известной мере самостоя­тельные экономические, практические и научные задачи. Широту этих задач, возникающих перед специалистами, работающими в отдельных отраслях и разделах энерге-

тики, можно характеризовать хотя бы тем, что специали­сты-энергетики готовятся сейчас по многим специально­стям и специализациям.

Такое дифференцирование энергетических проблем произошло исторически. В настоящее время оно стано­вится не вполне оправданным, вызывая трудности при решении комплексных задач энергетики, требующих от специалистов широкого кругозора в проблемах, которые стоят перед современной и тем более будущей энергети­ческой наукой и техникой.

Роль инженера в современном обществе велика и в перспективе будет еще больше. В последние десятилетия понятие «инженер» в значительной степени утратило ту творческую, изобретательскую сторону, которая должна быть для него характерна. Ведь само слово «инженер» — фразцузского происхождения — подразумевает человека, способного к созданию нового, к изобретательности. По­нятие «техника» также связано с творческим характером труда. Оно происходит от слова «техне», которым в Древней Греции характеризовали ремесленников, осо­бенно прославившихся своим мастерством. В современ­ных условиях революционных изменений в сфере мате- 2 риа,льного производства и в системе теоретических и прикладных наук функции инженера становятся более ответственными, творческими и понятие «инженер» в си- ГЛу объективных изменений вновь приобретает прежний «^творческий смысл. Теперь и в будущем, когда нетворче­скую работу в сфере умственного труда будут выполнять вычислительные машины, возможности для творческой °йучной деятельности инженера расширяются. Инженеры Э<Оогут и должны непосредственно превращать науку в производительную силу общества, используя ее достиже­ние для повышения производительности труда и качест- ва''продукции в сфере материального производства.

Роль инженера и далее будет очень велика. В. И. Ле­нин говорил, что без новейшей техники, без новых откры­тий и новых проникновений в тайны природы мы комму­низм не построим. И вот эти проникновения в тайны при­роды и предстоит осуществлять инженерам-энергетикам. Поэтому они должны быть специалистами, способными творчески, на высоком научном и техническом уровне ре­шать стоящие перед ними задачи и те проблемы широ­кого плана, которые затрагивают различные, все расши­ряющиеся сферы деятельности человека.

В Постановлениях ЦК КПСС и Совета Министров СССР, «Основных направлениях перестройки высшего и среднего специального образования в стране» отмечает­ся, что насущное требование времени — поднять роль высшего и среднего специального образования как важ­нейшего фактора долговременного воздействия на эконо­мику, поступательное развитие всего социалистического общества.

В будущем еще заметнее проявятся особенности энер­гетики, связанные с соизмеримостью мощностей искусст­венных энергетических установок и естественных геофи­зических процессов, влияющих на состояние планеты. Энергетика будет играть все более значительную роль, являясь как демографическим, социальным, так и поли­тическим фактором, влияющим на взаимоотношения между государствами и во многом определяющим поли­тику ряда стран. Направленные по всему миру потоки различных энергетических ресурсов проявляются в виде мощных факторов при развитии взаимоотношений, воз­никновении конфликтов и заключении договоров между некоторыми капиталистическими государствами.

Характерные особенности энергетики, особенно важ­ные на современном этапе технического прогресса, при­водят к новому подходу в решении инженерных задач, основанному на учете факторов широкого плана, кото­рые затрагивают разные аспекты деятельности человече­ского общества по выработке новой инженерной психо­логии.

В.2. ЗНАЧЕНИЕ ЭНЕРГЕТИКИ В ТЕХНИЧЕСКОМ ( ПРОГРЕССЕ

Развитие человеческого общества и его успехи на пу­ти цивилизации и прогресса непосредственно связаны с повышением производительности труда и улучшением материальных условий жизни людей. Научно-техниче­ский и социальный прогресс сопровождается увеличением потребляемой энергии и освоением новых, более эффек­тивных ее видов.

Количество потребляемой современными машинами энергии очень велико. Представление о нем может дать следующее образное сравнение: все работоспособное на­селение мира, работая с полным напряжением физиче­ских сил по 8 ч в сутки, не смогло бы за год выработать

одной сотой доли энергии, получаемой в настоящее вре­мя за счет сжигания топлива и энергии рек. Потребле­ние энергии и в дальнейшем должно возрастать, обеспе­чивая повышение производительности труда, что, как указывал В. И. Ленин, всегда являлось и является са­мым важным, самым главным для победы нового, более прогрессивного общественного строя.

Ускорение экономического развития страны на осно­ве широкого использования совершенных автоматиче­ски управляемых машин, заменяющих физический и не­творческий умственный труд, возможно только при уве­личении потребляемой энергии и росте производитель­ности труда.

П

Века Годы

Рис. В.2. График изменения расхо­дуемой человечеством энергии и раз­вития культуры:

роцесс потребления энергии на нашей планете исто­рически протекал крайне неравномерно. Ориентировоч­ное представление о нем может дать приведенная на рис. В.2 кривая (сплошная линия), указывающая на резкое возрастание потребления энергии начиная с XX в. Так, человечество за всю ис­торию своего существо­вания израсходовало примерно 900—950 тыс.

Т

суммарный расход энергии

всех видов за предшествующий период развития; цифрами 1:1 и 1 : 40 обозна­чены неравномерности в потреблении энергии на душу населения в различные исторические эпохи: накоплен­ная человечеством информация

Вт-ч энергии всех ви­дов, причем более ²/з этого количества при­ходится на последние 40 лет. Характерна здесь и неравномер­ность в потреблении энергии. Так, в доисто­рическую эпоху каж­дый человек, использо­вавший свою мускульную силу и энергию впервые заж­женного костра, тратил примерно одинаковое количест­во энергии. Приближенно можно считать ее распределе­ние равномерным—1:1. В настоящее время неравно­мерность в потреблении энергии на душу населения ста­ла огромна: для различных стран она выражается отно­шением 1 : 40. Неравномерность в потреблении электро­энергии еще больше. Так, на одного жителя в Норвегии в 1983 г. приходилось 21 350 кВт-н, в то время как в Ин­дии — 184, Бурунди — 11 кВт ■ ч.

Увеличение расходуемой энергии связано с развитием цивилизации, расширением и углублением знаний чело­века об окружающем мире. Объем знаний со временем увеличивается по мере того, как развивается культура — искусство, науки, открываются новые свойства материи. Приближенно знания, отражающие уровень развития ци­вилизации, можно оценить количеством накопленной ин­формации, измеряемой условной единицей — байтом. По­требление энергии и накопление информации (штрихо­вая линия, рис. В.2) имеют примерно одинаковый харак­тер изменения во времени. При этом общая накопленная информация, оцениваемая количественно в байтах, ко­нечно, не отражает ее различной ценности качественного своеобразия. Простой подсчет знаков в книгах одинаково учитывает творения и гениальных авторов, и весьма по­средственных. Этот показатель применим только для грубых ориентировочных оценок, выявления общих тен­денций в развитии.

Влияние энергетики на культуру, духовное развитие человека образно охарактеризовал К. Г. Паустовский, сказав, что лишняя тонна угля — это лишняя книжка хороших стихов, это тепло, свет, это спрессованная в черном блестящем камне сила жизни, сила и богатство мыслей и ощущений нашей эпохи. В самом деле, обеспе­чение энергией — это необходимая основа для того, что­бы человек мог творчески создавать новую технику, за­ниматься науками, искусством, литературой—всем тем, что обобщенно называется культурой.

Современный период развития техники, характери­зующийся значительным потреблением энергии и по пра­ву называемый периодом научно-технической революции, качественно отличается от предшествующих периодов развития. Качественное отличие в первую очередь состо­ит в огромном, революционном сдвиге в развитии произ­водительных сил, создании в широких масштабах техни­чески совершенных, оснащенных высокоэффективной ав­томатикой средств труда.

Прогресс в науке и технике определяется единством эволюционных и революционных изменений. При этом в случае имеющихся предпосылок внутренние закономер­ности развития науки и техники и общественные потреб­ности могут перевести эволюционные изменения в рево­люционные. Любая техническая революция характеризу­ется коренными изменениями в средствах труда или тех­нологии.

При рассмотрении современной научно-технической революции следует учитывать историю развития техники, важнейшие ее достижения и научные открытия послед­них лет. Развитие новых областей связано с успехами в физике, радиоэлектронике, кибернетике, молекулярной биологии, бионике и многих других науках. Успехи в ав­томатизации, электрификации производства, транспорт­ной технике также существенны для настоящих и буду­щих революционных изменений в энергетике и энергети­ческой науке, которая, в свою очередь, существенно влияет на ход научно-технической революции.

Технический прогресс и развитие цивилизации с да­леких исторических времен непосредственно связаны с количеством используемых энергоресурсов. Но если на первых этапах развития человек располагал только сво­ей мускульной энергией и мускульной силой животных, то затем большую часть труда он стал возлагать на ма­шины.

Сознание человека, его разум развивались вместе с совершенствованием средств труда, развитием произво­дительных сил, по мере того, писал Ф. Энгельс, как че­ловек учился изменять природу. Пытаясь проникнуть в тайны природы, люди стремились использовать ее воз­можности для своих нужд. Со временем им понятнее ста­новились такие явления, как молния, солнечное тепло, морские приливы и отливы и многие другие, которые для древних людей были таинственными. Преклоняясь перед ними и перед стихиями природы, человек обожест­влял их. У многих древних народностей не случайно вер­ховным богом считалось Солнце. В этом представлении о Солнце отражено его значение как источника почти всей энергии, используемой человечеством, как источни­ка жизни. Солнечное тепло было первым источником энергии, которым пользовался человек.

От древних греков до наших дней дошла легенда о Прометее, который похитил на небе огонь и принес его людям. Эта легенда донесла до нас весть о величайшем событии в жизни человечества, о том, что люди научи­лись добывать и поддерживать огонь, применять химиче­скую энергию, запасенную в органическом топливе. Эта форма энергии и в настоящее время наиболее широко ис­пользуется человеком.

Освоение природных энергетических ресурсов стиму­лировало создание машин, выполнявших довольно слож­ные операции и позволявших переложить на них значи­тельную часть вначале физического, а затем (в настоя­щее время) и нетворческого умственного труда. Совер­шенствование машин освобождало время для наиболее творческой работы, позволяло глубже проникать в зако­ны природы, используя их для своего блага. Это, в свою очередь, способствовало созданию более совершенных орудий труда.

Потребности в энергии постоянно возрастали, что вы­нуждало изыскивать новые энергоресурсы и новые спо­собы преобразования энергии из одного вида в другой. Сегодня стало традиционным использование таких видов энергии, как энергия Солнца, химическая энергия орга­нического топлива, механическая энергия воды в реках, морях и океанах, энергия ветра, внутриядерная энергия, получаемая при делении тяжелых ядер. Весьма перспек­тивно использование термоядерной энергии, получаемой при синтезе легких элементов. Реализация синтеза сни­мет на все исторически обозримое время проблему удов­летворения человечества запасами энергии, т. е. пробле­му, которая возникает в связи с истощением запасов ор­ганического топлива.

Бурный прогресс техники и тот уровень, которого она сейчас достигла, был бы невозможен без использования качественно новых видов энергии, в первую очередь эле­ктрической. Электрическая энергия широко применяется в жизни современного человека. Можно без преувеличе­ния сказать, что без электрической энергии невозможна нормальная жизнь современного общества. Электриче­ская энергия широко используется в промышленности для приведения в действие различных механизмов и не­посредственно в технологических процессах, на транс­порте, в быту. Работа современных средств связи — теле­графа, телефона, радио, телевидения — основана на при­менении электрической энергии. Без нее невозможно бы­ло бы развитие кибернетики, вычислительной техники, космической техники и т. д. Именно электрическая энер­гия, как это и было предсказано классиками марксизма- ленинизма еще на заре ее становления, явилась той дви­жущей силой, которая привела к созданию крупного ма­шинного производства, обеспечившего невиданное раз­витие производительных сил. Основные отличительные свойства электрической энергии состоят в том, что она может легко передаваться на большие расстояния и от­носительно просто с малыми потерями преобразовывать­ся в другие виды энергии.

Мощности, которые человек в последнее время нау­чился получать искусственным путем, соизмеримы с мощностями геофизических и геологических процессов, процессов, происходящих в атмосфере, и даже космиче­ских процессов. Таким образом, понятие энергетики нель­зя ограничить рамками искусственных систем — систем, создаваемых человеком; небходимо учитывать теснейшее взаимодействие искусственных систем с естественными системами природы.

Примерные соотношения между мощностями искусст­венных, созданных человеком установок и мощностями естественных геофизических процессов иллюстрируются рис. В.З (мощности приведены в миллиардах киловатт). В течение года Солнце излучает в космос огромное коли­чество энергии Э, из которой на Землю, имеющую по­верхность 5-10⁸ км², приходится примерно 7,5- 10¹⁷ кВтХ Хч, что соответствует мощности 85 600 млрд. кВт¹.

В течение 1983 г. на Земле была использована энер­гия всех видов первичных энергоресурсов, равная приб­лизительно (80—83) 10¹² кВт-ч. Средняя мощность по­требления первичных энергоресурсов составила 9— 10 млрд. кВт. Производство электроэнергии в мире за год равно 8360 ТВт-ч, а мощность всех электростанций составляет 2 млрд. кВт. В СССР в 1985 г. было произве­дено 1544 млрд. кВт-ч электроэнергии, добыто 595 млн.т нефти ², 643 млрд. м³ газа и 726 млн. т угля, а за 9 меся­цев 1987 г. соответственно 1213 млрд. кВт-ч, 467 млн. т, 534 млрд. м³ и 568 млн. т.

На 1 км² поверхности Земли приходится средняя мощность излучения Солнца, равная 17-10⁴ кВт, и сред­няя мощность использования первичных энергоресурсов, равная примерно 19 кВт. Эти мощности значительно, почти в 10⁴ раз, различаются между собой. Солнце иг­рает основную роль в тепловом балансе Земли. Его мощ­ность излучения, приходящаяся на Землю, во много раз больше мощности явлений природы и мощностей, полу­чаемых человеком. Мощность Солнца соизмерима толь- ко с мощностью, развиваемой вращением Земли вокруг

своей оси (3-10¹³ млрд. кВт), которую в настоящее вре­мя человек не научился использовать.

Однако суммарная мощность всех электростанций мира (2 млрд. кВт) уже соизмерима с мощностью мно­гих явлений природы. Так, средняя мощность воздушных течений на планете составляет (25—35)10⁹ кВт. Такого же порядка средняя мощность ураганов — (30— —40) 10⁹ кВт. Суммарная мощность приливов равна (2— -—5) 10⁹ кВт. Проводя сопоставление мощностей, следует учитывать, что кроме стационарных электростанций име­ется большое число передвижных энергетических устано­вок. Например, мощность всех действующих пассажир­ских самолетов на планете составляет не менее 0,15Х ХЮ⁹ кВт, что соизмеримо с мощностью всех электро­станций ЕЭС СССР (на начало 1985 г. составила 315 000 МВт, или примерно 0,3-10⁹ Вт). Стационарные электростанции даже при меньших мощностях оказыва­ют заметное влияние на биосферу, так как продолжи­тельность работы их в течение года больше. Так, боль­шую тревогу вызывает загрязнение атмосферы, обуслов­ленное эксплуатацией энергетических и других устано­вок, и изменение ее газового состава, обусловленное сжиганием больших количеств органического топлива; загрязнение мирового океана; истребление лесов, затоп­ление суши при сооружении гидроэлектростанций; тепло­вое загрязнение водоемов тепловыми электростанциями и общее изменение всего теплового баланса планеты. Очевидно, что планирование и проектирование энергети­ческих систем, их развитие и эксплуатация должны осу­ществляться с учетом всех аспектов влияния на окру­жающую среду. А потому инженеру-энергетику необхо­димы знания о природе и происходящих в ней явлениях.

Энергосистема, в которой производится электрическая и тепловая энергия, непосредственно связана с системой топливоснабжения, т. е. с системой обеспечения первич­ными энергоресурсами (рис. В.4). Сооружение энергоси­стемы и условия ее работы во многом определяются при­родными факторами, например наличием водоемов и гео­графическим расположением энергоресурсов и потреби­телей. Состояние биосферы, уровень загрязнения ее, свя­занный с работой энергетических установок, накладыва­ют определенные ограничения на технические характе­ристики и условия работы энергосистем.

Управление энергосистемой должно производиться с учетом не только влияния ее на биосферу, но и социаль­ных функций топливоснабжающей системы, потребности в энергии промышленности и транспорта и других фак­торов. Все это свидетельствует о необходимости широкой подготовки инженера-энергетика.

В «Основных направлениях перестройки высшего и среднего специального образования в стране» предус-

Рис. В.4. Схема связей энергосистемы с дру гими системами

матривается углубление теоретической и улучшение практической подготовки инженеров. Указывается на не­обходимость формирования у инженерных кадров навы­ков самостоятельного технического творчества и систем­ного подхода к технико-экономическим проблемам. Спо­собности технического творчества должны стать одним из важнейших критериев отбора молодежи на инженер­ные специальности.

Современный инженер должен не только хорошо ори­ентироваться в специальных технических областях, но и предвидеть влияние принимаемых решений на окружаю­щую среду и на социально-экономические условия. На­пример, при сооружении гидроэлектростанций необходи­мо учитывать, что затопление обширной территории тре­бует перенесения населенных пунктов, что изменяет при­вычный уклад жизни людей, наносит ущерб сельскому хозяйству.

Глава 1

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ ЗЕМЛИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ^ 2^

Энергия — всеобщая основа природных явлений, ба­зис культуры и всей деятельности человека. В то же вре­мя энергия понимается как количественная оценка раз­личных форм движения материи, которые могут превра­щаться одна в другую. По видам энергия подразделяется на химическую, механическую, электрическую, ядерную и т. д. Возможная для практического использования че­ловеком энергия сосредоточена в материальных объек­тах, называемых энергетическими ресурсами.

Из многообразия энергоресурсов, встречающихся в природе, выделяют основные, используемые в боль­ших количествах для практических нужд. К ним отно­сят огранические топлива, такие, как уголь, нефть, газ, а также энергию рек, морей и океанов, солнца, ветра, тепловую энергию земных недр (геотермальную) и т. д.

Энергоресурсы разделяют на возобновляемые и невозобновляемые. К первым относят энерго­ресурсы непрерывно восстанавливаемые природой (вода, ветер и т. д.), а ко вторым — энергоресурсы, ранее на­копленные в природе, но в новых геологических условиях практически не образующиеся (например, каменный уголь).

Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная), называется первичной. Энергия, получаемая человеком после преобразования первичной энергии на специальных установках — станциях, называется вторич­ной (энергия электрическая, пара, горячей воды и т. д.).

В своем названии станции содержат указание на то, какой вид первичной энергии на них преобразуется. На­пример, тепловая электрическая станция (сокращенно ТЭС) преобразует тепловую энергию (первичную) в эле­ктрическую энергию (вторичную), гидроэлектростанция (ГЭС) —энергию воды в электрическую, атомные элект­рические станции (АЭС)—атомную энергию в электри­ческую; кроме того, первичную энергию приливов преоб-

разуют в электрическую на приливных электростанциях (ПЭС), аккумулируют энергию воды — на гидроаккуму­лирующих станциях (ГАЭС) и т. д.

Получение энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей происходит в процессе энергетиче­ского производства, в котором можно выделить пять стадий.

1. Получение и концентрация энергетических ресур­сов: добыча и обогащение топлива, концентрация напо­ра с помощью гидротехнических сооружений и т. д.

2. Передача энергетических ресурсов к установкам, преобразующим энергию; она осуществляется перевозка­ми по суше и воде или перекачкой по трубопроводам во­ды, газа и т. д.

3. Преобразование первичной энергии во вторичную, имеющую наиболее удобную для распределения и по­требления в данных условиях форму (обычно в элект­рическую энергию и тепловую).

4. Передача и распределение преобразованной энер­гии.

5. Потребление энергии, осуществляемое как в той форме, в которой она доставлена потребителю, так и в преобразованной.

Если общую энергию применяемых первичных энер­горесурсов принять за 100%, то полезно используемая энергия составит только 35—40%; остальная часть теря­ется, причем большая часть — в виде теплоты (рис. 1.1).

Потери энергии определяются существующими в на­стоящее время техническими характеристиками энерге­тических машин.

Различные виды энергоресурсов неравномерно рас­пределены по районам Земли, по странам, а также внут­ри стран. Места их наибольшего сосредоточения обычно не совпадают с местами потребления, что наиболее за­метно для нефти. Больше половины всех мировых запа­сов нефти сосредоточено в районах Среднего и Ближнего Востока, а потребление энергоресурсов в этих районах в 4—5 раз ниже среднемирового. На европейском конти­ненте национальное производство энергетических ресур­сов превышает их потребление только в трех странах: СССР, СРР и ПНР. В этой ситуации важно создать оп­тимальные межгосударственные потоки энергоресурсов и продуктов их переработки и максимально использовать запасы энергоресурсов, расположенные вблизи от основ­ных потребляющих районов.

Концентрация потребления энергоресурсов в наибо­лее развитых странах привела к такому положению (рис. 1.2), когда 30% населения в мире потребляет 90% всей вырабатываемой энергии, а 70% населения — только 10% энергии. При этом примерно ³Д установленной мощности электростанций и мирового производства электроэнергии

£ ^
£ 05 ffi Г		СЧ||
	К	1 , 4
Механическая ^

Добываемые энергетичес­кие ресурсы

Примышлен

мышлен- iA пасть

энергия

Сельское хозяйство]'

Транспорт I'A.

Потери при ЗоЕыче, хранении и транс-

• портировке

• Гидроресурсы 'А/Разное

Гидра-

ресурсы

Электростан­ции 40%

Н

Котельные /0%

епосредственное использование топлива 50% 20/ 20’/. 10

Злектрс

энер- ч; ' гия

лгсгтели

Э

>000000000

\3лектра

нергия

Рис. 1.1. Схемы использования энергии:

-

■ энер-

механической энергии и теплоты, доставленных потребителям; 6 ■ гетических ресурсов

приходится всего на 10 наиболее промышленно развитых стран. Наблюдается тенденция увеличения неравномер­ности потребления энергетических ресурсов. Так, свыше половины населения земного шара, проживающего в раз­вивающихся странах, потребляют менее 100 кВт-ч элект­роэнергии, приходящейся на одного человека при средне­мировом показателе, близком к 1500 кВт-ч. Эти цифры характеризуют социальное неравенство, отраженное в

	Население	К
	ШШИШИ	40
			А = Зца^г/Зм:];.1 j
			^
	Энергия		i, г

Рис. 1.2. Характеристики мирового потребления энергоре­сурсов:

•Э

_макс ^и ^мин ~ максимальное и минимальное потребление энергии на душу населения

неравномерности потребления энергоресурсов. Тенденция к увеличению неравномерности общего потребления энергии в капиталистических странах иллюстрируется рис. 1.2.

Несовпадения мест сосредоточения и потребления энергоресурсов вызывают необходимость их транспорти­ровки. Энергия может передаваться в различной форме (рис. 1.3). Например, можно перевозить нефть и уголь от месторождений до крупных промышленных центров и городов и затем сжигать их на электростанциях, пре­вращая электрическую энергию в тепловую. Возможен и другой вариант, когда электростанция сооружается вблизи месторождений топлива, а электрическая энергия передается по проводам к удаленным промышленным предприятиям и городам.

Целесообразность передачи на расстояние тех или иных носителей энергии определяется их энергоемкостью, под которой понимается количество энергии, приходя­щееся на единицу массы физического тела. Среди при­меняемых энергоносителей наибольшей энергоемкостью обладают радиоактивные изотопы урана и тория: 2,22 ГВт-ч/кг (8-10¹² Дж/кг). Вследствие огромной энергоемкости атомного топлива практически не сущест­вует проблемы транспорта его на расстояние, так как

для работы мощных электрических установок требуются сравнительно малые его количества. Энергоемкость при­меняемого топлива в среднем по всем видам составляет 0,834 кВт-ч/кг (3-10⁶ Дж/кг).

Органическое топливо вследствие его специфических свойств и исторически сложившихся условий пока оста-

Таблица 1.1

Виды запасов органического топлива	Запасы органического топлива		Прогноз времени полного ис­пользования, лет
	млн. ТВт-ч	млрд. т
Геологические Достоверные (разведан­ные) Готовые к использованию в современных условиях	100—120 50—60 25—30	12000— 14000 6000—7000 3000—3500	500—1000 100—200 50—100

ется основным источником используемой человечеством энергии. Мировые запасы органического топлива приве­дены в табл. 1.1. Запасы топлива, имеющего различную энергоемкость, удобно выражать в условном топливе.

Топливо по своей природе относится к невозобновляе­мым источникам энергии, так как оно запасено в далекие

д

| I 1 1

/370 IS80 13Э0 2000 2010 2020 Гады

Рис. 1.4. Графики роста мирового продукта и энергопотребления

оисторические эпохи и практически не восполня­ется.

Оценки запасов орга­нического топлива колеб­лются в широких преде­лах в зависимости от учи­тываемых условий его за­легания и возможностей добычи. Прогнозные, или геологические, запасы топ­лива, получаемые на ос­нове теоретического пред­сказания, существенно больше. В табл. 1.1 при­ведены округленные оцен­ки запасов топлива на планете и соответствующие им периоды времени, в течение которых топливо может быть использовано полностью. При этом, если геологические

запасы топлива принять за единицу, то достоверные за­пасы оказываются в 2 раза меньше, а запасы, которые можно извлечь с учетом современных технических и эко­номических возможностей,— в 4 раза меньше.

Потребление энергоресурсов быстро растет, что вы­зывается непрерывным увеличением мирового промыш­ленного производства (рис. 1.4). Предполагается, что к 2000 г. потребление энергоресурсов составит 160—240 тыс. ТВт-ч (что соответствует условному топливу массой 20—30 млрд. т). Оставшихся после 2000 г. мировых

Рис. 1.5. Графики изменения во времени мирово­го потребления различных энергетических ресур­сов, выраженных в условном топливе (фактиче­ское и ожидаемое)

запасов энергоресурсов без учета возможностей ядерной и термоядерной энергетики, видимо, хватит еще на 100— 250 лет. Эти данные, конечно, ориентировочны, однако все же они дают некоторую картину будущего. На рис. 1.5 приведены данные о мировом потреблении важ­нейших энергоносителей.

Общее мировое производство энергоресурсов, приве­денных к условному топливу, в 2000 г. ожидается рав­ным 20 млрд. т. В его структуре ведущее значение будут иметь нефть и газ, доля которых составит ³/s всего про­изводства энергоресурсов; Vs будет приходиться на ядер- ное горючее; оставшуюся часть составят твердые топли­ва (рис. 1.6).

Значительные изменения в структуре мирового топ­ливно-энергетического баланса произошли в 60-е годы.

У

т

80

ВО ■ 40 ■

го

йтлЯнпвляр.мые энергоресцрси

ЯВерная Природный"—■— энергия газ

Нефть

величилось относительное потребление жидкого и газо­образного топлива. Так, в 1970 г. доля нефти в общем мировом потреблении энер­гии составила 46%, а при­родного газа — 20 %.

Д

Уголь

§ 0

1930

zoao гаги Гады

Рис. 1.6. Структура мирового потребления топливно-энерге­тических ресурсов

о конца текущего сто­летия основной прирост энергопотребления будет обеспечиваться за счет при­родного газа, угля и ядерной энергии. В начале XXI в. ожидается увеличение доли возобновляемых источников энергии, таких, как энергия солнца, ветра, тепловая энергия земных недр и др. По предварительным оценкам, на долю таких источников энергии, включая ядерную, будет приходиться около 40% суммарного производства первичных энергоресурсов в СССР. Поэтому уже сейчас в нашей стране ведутся интенсивные теоретические и экспериментальные иссле­дования по эффективному освоению практически неис­черпаемых возобновляемых источников энергии.

Данные, оценивающие технические и экономические возможности использования энергии, меняются со вре­менем. Поэтому прогнозы, построенные на основе этих данных, следует рассматривать как ориентировочные, которые должны периодически корректироваться.

Интересно проследить эволюцию потребления раз­личных видов энергии начиная с доисторических времен (рис. 1.7, а). Мускульная энергия человека и животных, иногда называемая «биологической» энергией, некогда была единственным источником энергии. В настоящее время она составляет величину, меньшую 1% от общего потребления энергии (на рис. 1.7 не показана). Доля

34% 18%

О

10% 3Z%

с куль Hi анергия

|—| Мускульная

тходы [органические остатки)

Ш&ДереВй ШЗ Уголь Г^1 НеЛть ШТШ Природный гаи Электра-

иищ _знер_Ш

газ

1

*)

150

150 НО 130 120 НО 100 90 80 7 а БО 50 40 30 2D 10 О

5.0

5. U,О

5. .

3.0

2.5

0. U 5 1,0 0,5 О

0^1гВгтгад

					!
	Ядер на		эне	игия	1
					//
					/ Газ/
					/ -
					/
					/Нефть
					-
Дре	Зесин	у как
топливо					....
\					".Уголь-
			Гидраэне		ргия__

1850 1815 400 1925 1350 1ST5 2000

Годы

Рис. 1.7. Характеристики энергетических ре­сурсов Земли и их использование:

а — схема исторического изменения различных ви- дов энергии, потребляемой человеком; б — диаграм­мы потребления различных источников первичной энергии в США; в — структура потребления энерго­ресурсов в СССР; г — структура использования в народном хозяйстве СССР органического топлива и ядерной энергии; д — прогноз мирового потребления горючих полезных ископаемых

Нетопливные нцжды

1315 1ЭВ0 Перспектива 1315 1980 Перспектива 1315 1380 Перспектива Рис. 1.7. Продолжение

мускульной энергии будет уменьшаться и в дальнейшем. Это свидетельствует о том, что высокий уровень разви­тия производительных сил позволил человеку почти пол­ностью переложить на машины усилия по изготовлению необходимой продукции. Для того чтобы машины могли выполнять такую работу, человек на основе познанных им и практически используемых законов природы дол­жен был привести в действие огромные мощности, при­ложив их к средствам труда. Эти мощности современных орудий труда стали неизмеримо превышать ту макси­мальную мощность, кото­

р

д)

Рис. 1.7. Продолжение

ая могла быть получена за счет биологических ис­точников.

Первыми источниками теплоты были различные органические остатки и древесина. Древесина на протяжении длительного периода, вплоть до XVI в., была основным энергоно­сителем. Впоследствии, по

мере относительно быстрого освоения других, более энер­гоемких источников энергии (угля, нефти), сокращалось потребление древесины, использование которой в каче­стве энергоносителя до 2000 г. должно полностью пре­кратиться.

Среди доступных энергоресурсов наибольшая доля приходится на уголь (75—85%); значительны запасы нефти (10—15%) и газа (5—10%); все остальные энер­горесурсы в совокупности составляют менее 2%.

В начале XX в. уголь занимал наибольшую долю от всех используемых энергоресурсов. По мере увеличе­ния потребности в нефти, газе доля угля в выработке электроэнергии уменьшалась. На рис. 1.7,6 показана динамика потребления различных энергоресурсов в США, а на рис. 1.7, в —в СССР. Использование энер­гетических ресурсов для различных технических и тех­нологических нужд в СССР иллюстрируется рис. 1.7, г.

Начало 70-х годов характеризуется выравниванием потребления таких энергоресурсов, как уголь, нефть и газ, а в некоторых странах даже уменьшением (в аб­солютных цифрах) добычи угля.

Прогноз расходования мировых запасов органическо­го топлива (рис. 1.7, д) неоднократно служил поводом

для высказываемых в западных странах опасениях об «энергетическом голоде», «тепловой смерти» и т. д., якобы ожидающих человечество. Однако для таких мрачных предсказаний нет оснований. Напротив, можно полагать, что на смену органическому топливу, запасы которого действительно уменьшаются, придут новые эф­фективные источники энергии и в первую очередь ядер- ная энергия, получаемая при делении тяжелых и синте­зе легких элементов. Органическое топливо будет приме­няться, как ценное сырье для химической и фармацев­тической промышленности.

Разумное сочетание различных энергоресурсов и пла­новое развитие энергетики несомненно позволили бы избежать тех трудностей, приобретающих иногда ката* строфический характер, которые возникли в начале 70-х годов в ряде капиталистических стран. Эти трудности, получившие в западных капиталистических странах и в США название энергетического кризиса, были вызваны многолетним хищническим использованием международ­ными монополиями сырьевых ресурсов стран и континен­тов. Так, международный нефтяной картель, состоящий из семи монополий (пять из которых американские), практически полностью контролировал добычу нефти в странах Арабского Востока и прочно захватил домини­рующие позиции на рынках государств — потребителей нефти. Этот картель в целях извлечения максимальных прибылей тормозил работы по использованию других видов энергии. В странах Западной Европы сокращалась добыча каменного угля, закрывались шахты, часто не­оправданно придерживалось развитие атомной энерге­тики.

Монополии, картели не останавливались ни перед какими средствами, чтобы сохранить свои позиции. В ряде стран, например, они давали огромные взятки, чтобы провалить законы о национализации энергетики (США) или дискредитировать и затормозить программу строительства атомных станций (Италия) и т. д.

Ориентация энергетики на нефть, дававшая монопо­лиям огромные прибыли, требует в перспективе значи­тельного увеличения ее добычи. В то же время, начиная с 1973 г., страны — производители нефти стали требо­вать все большую долю прибылей: они повысили на нее закупочные цены и заявили о намерении держать при­рост добычи нефти в определенных пределах, поставив тем самым развитые капиталистические страны перед

необходимостью пересмотра их энергетической полити­ки. При этом в некоторых планах предусматривалось развитие атомной энергетики. Однако такого рода пере­ориентация энергетической политики сопряжена с мно­гими трудностями, такими, как необходимость получе­ния ядерного топлива, потребность в дополнительных капиталовложениях (которые трудно изыскать в услови­ях перенапряженных бюджетов развитых капиталисти­ческих стран), недоверие общественного мнения по обеспечению безопасности атомных электростанций, сти­мулируемое конкурирующими фирмами. Между тем, раздуваемая печатью (особенно США) тема энергетиче­ского кризиса явно преувеличена. Все соображения и данные о мировых запасах энергоресурсов следует рас­сматривать как приближенные, так как пока еще недо­статочно изучены земные недра (обследована небольшая часть залежей на суше и практически не изучены ресур­сы топлива под дном Мирового океана), имеется не­удовлетворительного качества статистический материал

о залегании энергоресурсов, в различных странах суще­ствуют разные методики учета запасов. В одних случаях исходят из общегеологических запасов, в других — из достоверных, подтвержденных геологической разведкой, в третьих — из запасов, которые могут быть извлечены исходя из экономических, географических, технологиче­ских и прочих условий. Общегеологические запасы топлива планеты оценивались специалистами примерно в 200 млн. ТВт-ч, а далее было показано, что с помощью современных технологических методов можно добыть при оправданных экономических затратах более 28 000 млн. ТВт-ч, что в 380 000 раз превышает современный уро­вень годовой добычи в мире всех видов топлива. Харак­терно то обстоятельство, что несмотря на быстрое расхо­дование энергоресурсов, их потенциальные запасы по мере проведения разведки не уменьшаются, а увеличи­ваются.

Значительная доля энергетических ресурсов расхо­дуется на электростанциях для выработки электрической энергии, получившей в настоящее время широкое приме­нение.

Суммарная мощность электростанций в мире в на­стоящее время составляет примерно 2 млрд. кВт. На долю СССР приходится более 300 млн. кВт, что состав­ляет 15% от мощностей электростанций мира или 16% от производства электроэнергии.

В результате технического прогресса, совершенство­вания орудий труда, средств транспорта, использования научных достижений в практических целях человечество освоило огромные электрические мощности, составляю­щие примерно 8—10 млрд. кВт. Если считать, что энер­гетические установки в среднем работают с КПД, равным 0,2, то для полу­чения освоенной полезной мощности требуется из­влекать природные энер­гетические ресурсы с мощ­ностью, равной 40— 50 млрд. кВт (8/0,2=40 и 10/0,2=50).

М

Рис. 1.8. График использования суммарной мощности энергетиче­ских установок

ощность в течение суток и года изменяется. Использование мощности характеризуется графи­ком, показанным на рис. 1.8. Заменяя реальный график условным прямоугольни­ком равновеликой площади, получим расчетный пара­метр — продолжительность (время) использования мак­симальной мощности Тм и определим используемую в мире энергию. Ориентируясь на меньший показатель, по­лучим

Э—40 млрд. KBf-5000]ч = 200-10³ млрд. кВт-ч.

Выразим эту энергию в массе условного топлива.

Так как 1 т такого топлива содержит энергию, рав­ную 8000 кВт-ч, то, следовательно, для приведения в действие энергетических установок в течение года потре­буется

200-Ю³ млрд. кВт-ч/8-10³ кВт-ч/т = 25 млрд. т.

Полагая, что нашу планету населяют 5 млрд. чело­век, получим, что средний расход энергетических ресур­сов, приходящийся на долю каждого человека в течение года:

25 млрд. т/5 млрд. чел. = 5 т.

Этот показатель следует считать ориентировочным, дающим общие представления о рассматриваемых про­цессах освоения энергетических мощностей и потребле­ния энергии.