Энергоресурсы – материальные объекты, в которых сосредоточена возможность для использования энергии.

Энергия- количественная оценка различных форм движения материи, которые могут взаимопревращаться друг в друга.

Энергия условно подразделяется по видам:

• тепловая

• электрическая

• механическая

• химическая и тд

Виды энергоресурсов:

• основные – те, которые человек использует в больших количествах для практических нужд: органическое топливо (нефть, газ, каменный уголь); ядерное топливо, энергия рек

• нетрадиционные – те, которые не получили широкого применения(ветровая, солнечная)

Также подразделяют:

• возобновляемые – те, которые непрерывно возобновляются (солнечная)

• не возобновляемые – те, которые ранее были накоплены в природе и практически не возобновляются( нефть, газ)

Также выделяют:

• первичная - энергия, непосредственно извлекаемая в природе( теплота при сгорании топлива)

• вторичная - энергия, получаемая человеком после переработки первичной энергии на специальных установках

Преобразование первичной во вторичную осуществляется с целью придания ей более удобной формы. Например тепловая и электрическая.

Получение энергии необходимого вида и снабжения этой энергией потребителей осуществляется в процессе энергетического производства, в котором можно выделить 5 основных стадий:

1. Получение и концентрация энергоресурсов(добыча и обогащение органического топлива)

2. Передача энергетических ресурсов к установкам, преобразующим энергию (трубопроводный транспорт, наземный транспорт)

3. Преобразование первичной во вторичную

4. Передача и распределение преобразованной энергии

5. Потребление энергии конечными потребителями.

Энергетические ресурсы Земли. Классификация и характеристики топлива

Топливо- любое вещество или смесь веществ, которое может быть использовано для получения теплоты.

По принципу высвобождения теплоты:

1. Органическое - выделяет теплоту при сгорании элементов, входящих в их состав.

2. Ядерное – выделяет теплоту при проведении в нем ядерных реакций.

3. Химическое – при проведении химических реакций.

Классифицируется:

1. По агрегатному состоянию(тв, ж, г)

2. По способу получения(естественное - добывается из недр; искусственное - путем переработки первичного топлива)

Основные характеристики:

1. Состав

2. Удельная теплота сгорания

3. Выход летучих веществ

4. Зольность

5. Влажность

6. Сернистость

Химической состав

В состав тв и ж топлив входят: С(р), Н2(р), О2(р), N2(р), С2(р), S2(р), W(p)-влага, А(р)-негорючие элементарные соединения. Состав тв и ж топлив представляют в виде суммы масс элементов, входящих в их состав. в тв и ж топливах выделяют 3 вида составов: рабочу, сухую, горячую массу топлива.

С(р)+Н2(р)+О2(р)+N2(p)+S2(p)=100%

С(р)=С(r)*K(r-p), где K(r-p)- переводной коэффициент.

Заданная масса топлива	Искомая масса топлива
	Р	С	Г
Р	1
С		1
Г			1

Основные компоненты газообразного топлива: метан СН + высшие водородные соединения CmHn + водород Н2 + N2 + CO + CO2 + H2S + O2 = 100%

Удельная теплота сгорания – количество теплоты, выделившиеся при полном сгорании единицы массы имеющегося объема топлива.

УТС:

Qв(высшая) – количество теплоты, полученное при сгорании единицы топлива и конденсации паров, находящихся в нем.

Qн(низшая) – не включает в себя теплоту конденсации водяных паров.

Теплота сгорания определяется исходя из химического состава топлива.

Для тв и ж теплота сгорания:

Qв=338*С(р)+1249*Н(р)-108,5[О(р)-S(p)] (кДж/кг)

Qн=338*С(р)+1025*Н(р)-108,5[О(р)-S(p)]-25*N(р) (кДж/кг)

Для газов:

Q=127*CO2+108*H2+358*CH4+591*C2H6+911*C3H8+234*H2S (кДж/М^3)

Пересчет какого либо количества теплоты в условное производится по формуле:

Bут=В*Qн/Qут, где В-количество топлива, Qут=29330(кДж/кг)- теплота сгорания условного топлива.

Выход летучих веществ – смесь горючих и негорючих газов, которые выделяются из массы топлива при его нагревании. Величина ВЛВ определяется как уменьшение массы пробы топлива при его нагревании до определенной температуры в течение определенного промежутка времени. Измеряется в %. Чем больше ВЛВ, тем ниже температура горения топлива. Чем больше выход ВЛВ, тем менее качественным считается топливо. ВЛВ характеризует твердое топливо, качество которого зависит от возраста. Каменный уголь имеет следующие стадии формирования: торф(70%)-бурый уголь(50%)-каменный уголь(25-40%)-антроцит(3-4%).

Твердый остаток топлива после ВЛВ – КОКС. Это наиболее ценный и дорогостоящий вид топлива. Имеет наивысшую температуру горения и теплоту сгорания. Ввиду своей дороговизны в энергетике кокс не используется, а используется в промышленности для получения тугоплавких металлов.

Зольность (А), %. Несгоревший остаток топлива, состоящий из негорючих минеральных примесей, входящих в состав топлива – зола. Отношение массы золы к массе топлива – зольность. Зольность тв топлива 5-70%. Зольность ж топлива 0,1%.

Зольность влияет на процесс горения. Большая зольность снижает выгодность перевозки, снижает теплоту сгорания, затрудняет процесс горения, загрязняет оборудование, загрязняет среду.

Влажность (W), % снижает теплоту сгорания и затрудняет процесс горения. Наибольшую влажность имеет бурый уголь 50%, наименьшую каменный уголь и антроцит – 5-25%.

Сернистость (S), % большое количество серы – отрицательный фактор. Вызывает усиленную коррозию поверхностей нагрева и газоотводящих траков оборудования. Приводит к преждевременной порче оборудования.

Органическое топливо

Начало массовой добычи – середина 19в. В настоящее время доля нефти в энергетическом мировом балансе = 40%. Сырая нефть представляет собой сложную смесь углеводородов в составе: С=84-86% Н=10-12%. S~5% O2~2% N2~1% A+W~1.5%

В сыром виде не применяется. Из нее получают различные виды топлива на нефтеперерабатывающих заводах наиболее легкие сорта бензина применяются в авиации – авиационные. Более тяжелые – для авто. Керосин- для турбореактивных двигателей. В энергетике – мазут- отход процесса нефтепереработки. Мазуты по вязкости М20 М40 М60….М120. Чем больше цифра – там хуже качество, тк затрудняется сгорание.

В ж состоянии нефть залегает в геологических породах, которые в настоящее время хорошо изучены, что дает возможность произвести суммарную оценку мировых ресурсов нефти.

Кол-во нефти составляет около 6% от общих мировых запасов орг топлива. Ее хватит лет на 50-60. Современные способы позволяют извлекать около 30%, а оставшаяся часть остается в Земле.

Около 2/3 мировой добычи приходится на страны Азии, Африки и Ю.Америки. различна и стоимость. В России – 6% запасов.

Проблемы нефтеперерабатывающей и добывающей отрасли:

1. Разработка новых месторождений

2. Совершенствование способов добычи

3. Совершенствование методов переработки

Газообразное топливо

Преимущества:

1. Удобно сжигается простыми средствами в установках самых различных конструкций и мощностей

2. Сгорает без дыма и копоти

3. Не дает твердых остатков(золы)

4. Удобно для транспортировки на большие расстояния по газопроводу.

ГТ бывает: естественное (природное; нефтепромысловое) и искусственное.

Природный газ получают из газовых месторождений. Основной компонент- метан СН4, тву же содержится небольшое количество CmHn, Н2, СО, СО2.

В процессе добычи его очищают от различных соединений, но часть углеводорода остается. В бытовой газ добавляют одоризаторы (для запаха).

Нефтепромысловые газы выделяются в районах месторождений нефти. При добыче нефти выделяется попутный газ, содержащий меньше метана, чем природный, но больше, высших углеводородный соединений. Следовательно, при сгорании выделяется больше теплоты. Проблема полного использования данного газа актуальна, тк при существующих способах добычи нефти большая его часть теряется. В настоящее время наибольшее распространение получил сжиженный газ, полученный из нефтепромысловых газов, после их привычной переработки на месте добычи. Изучены 2 вида:

-технологический пропан( не менее 93% С3Н8+С3Н6)

-технологический бутан(93% С4Н10+С4Н8)

При t=20C пропан конденсируется при давлении 0,8 Мпа, а бутан при 0,2 Мпа. Следовательно, данные газы обычно транспортируются в жидком виде в баллонах под давлением.

Искусственный газ.

Синтетические получают из твердого топлива путем нагрева воздуха в специальных устройствах – газогенераторы. Такой газ обладает меньшей теплотой сгорания, чем природный. Используют в местах получения.

Запасы газа ~ 5% запасов орг топлива.

Преимущества природного газа по сравнению с другими видами орг топлива приводят к тому, что данный вид топлива вытесняет другие. Потребление газа увеличивается. Запасов на 40-50 лет.

Каменный уголь.

Образовался из осадков орг веществ в пресной воде. Основные запасы в России, Китае, Австралии, Азии, Африке. Общее кол-во угля 89% от всех запасов орг топлива. Хватит на несколько сотен лет. В России – 50% всех запасов.

Геофизическая энергия.

Гидроэнергия. Достоинства:

1. Возобновляемый энергоресурс

2. Более удобна с технологической точки зрения, так как данный вид энергии технически просто использовать для электроэнергии отсутствует неравномерность поступления энергии.

Широки используется для выработки энергии на ГЭС. Несмотря на то, что общий гидропотенициал Земли высок и может обеспечить большую часть потребляемой энергии, к использованию доступны не более 10-15%, которые в наст время практически выбраны. Т.о. гидроэнергия может обеспечить лишь небольшую часть потребителей.

Приливные ЭС(ПЭС). В России амплитуда приливных волн составляет до 13м.

На побережье сооружается дамба, образующая искусственный бассейн. Во время прилива бассейн заполняется, во время отлива опустошается. В бассейн устанавливают гидротурбины, которые вырабатывают электроэнергию при заполнении и при опустошении.

Ветровая энергия.

Потенциал превышает в 100 раз потенциал гидроэнергетических ресурсов. В настоящее время вырабатывается 0,2% общей потребности. Проблема- постоянно меняющаяся скорость ветра. Приводит к созданию систем аккумулирования энергии, что усложняет установку.

Геотермальная энергия.

Это теплота недр замли. Источник- радиационные процессы внутри земли. это неисчерпаемый источник.

2 пути использования:

1. Выработка энергии за счет разности температур на поверхности земли и недр. Наиб удобен, использовать в морях и океанах северных широт, где разность t воздуха и воды достигает до 30-40С.

2. Выработка тепловой и электроэнергиии за счет теплоты геотермических вод, которые выбрасываются на поверхность через естественные каналы. Породы нагревают воду в подземных источниках, которые выходят на поверхность земли в виде горячей воды или пара. Это тепло можно использовать для получения тепловой или электроэнергии.

Трудности(недостатки):

1. Возможность использования в местах выхода геотермальной энергии.

2. При разработке геотермального месторождения со временем происходит его исчерпание. Уменьшается температура и давление и количество поступающих геотермальных вод. Отбор теплоты происходит быстрее чем его восстановление.

3. Высокое содержание минеральных солей приводит к засорению и выходу из строя оборудования и закупорке скважин

4. При интенсивных отборах может наблюдаться оседание земли вокруг скважины.

Солнечная энергия.

Поток солнечного излечения падающего на землю значительно превышает современную потребность в энергии. Но в наст время не существует экономичного способа преобразования солнечной энергии в электрическую. Все известные способы обладают низким КПД, не более 10%. Что приводит к высокой стоимости оборудования. Вторая проблема- аккумулирование энергии для круглосуточного электроснабжения потребителей.

Ядерная энергия.

Ядерное деление.

Ядерные реакторы используют избыточную энергию деления изотопа урана U235 с массой 235, которая выделяется в виде теплоты. Устройство сложно, но по сути это обычный паровой котел, производящий пар для вращения турбины.

Схема потоков вещества и энергии в реакторе на тепловых нейтронах

1-Обогащение урановой руды, 2-Делящийся материал 3-Замедлитель 4-Полезная работа 5-Конденсатор УР- урановая руда Р- реактор БН- быстрые нейтроны ТН- тепловые нейтроны ЯОТ- ядерные отходы Т- теплоноситель ОЭ- отводимая энергия СБТ- сбросная теплота.

УР после добычи подлежит обогащению, в результате чего получается ядерное топливо для ЯЭС. В ходе реакции деления в ядерном топливе образуются быстрые нейтроны, обладающие избыточной кинетической энергией. Эта энергия поглощается замедлителем и преобразуется в теплоту. Отдавшие свою энергию ТН возвращаются в зону реакции для поддержания цепной реакции ядерного деления. Теплота, полученная в ходе реакции, передается теплоносителю и используется для вращения тепловой турбины. В результате вырабатывается эл энергия. Пар потом поступает в конденсатор, где преобразуется в исходное агрегатное состояние. При этом из системы отводится избыточная энергия в виде сбросной теплоты.

В природе есть 2 изотопа урана U235 и U238. U235(0,7% в природе) единственный делящийся элемент в природе. Ядро делится при попадании в него нейтронов. Легко возникает и поддерживается цепная реакция деления. Ядро U238(99,3%) устойчиво и делится только при попадании в него быстрых нейтронов. Число выделяющихся БН мало, цепная реакция не идет.

Использование U238 возможно в реакторах на быстрых нейтронах, в которых проходит несколько реакций деления. В результате образуется плутоний Pu239, еще в большей степени чем U235 подвержен делению.

Схема потоков энергии и вещества в реакторе на быстрых нейтронах.

1-обогащение урановой руды, 2- делящийся материал, 3- ядерное топливное сырье, 4-воссановление делящегося материала, 5-полезная работа, 6-конденсатор.

В качестве делящегося материала выступает Pu239. В результате деления образуются быстрые нейтроны, используемые для получения теплоты. Часть БН направляется к топливному сырью U238. За счет энергии нейтронов из U238 выделяется новое ядерное горючее Pu239.

Термоядерный синтез

Наиболее широко встречающиеся в природе элементом является водород Н. его изотопы Н1-протон, Н2-дейтерий(устойчивый), Н3- тритий(неустойчивый). Трития в природе нет. В результате реакции по получению трития суммарная масса продуктов меньше чем исходных веществ. Разница в массах – кинетическая энергия реакции. В результате реакции образуется вещество, масса ядра которого больше массы любого из исходных. Это реакция термоядерного синтеза.

Н2+Н2=Н3+n

Сложности:

-Для того чтобы запустить и поддерживать реакцию термоядерного синтеза, требуется t=10млн*C. на земле нет таких условий. Эту проблему пробуют решить с помощью магнитного удержания плазмы.

-отбор и преобразование получаемой избыточной энергии. Нужен теплоноситель с очень большой теплоемкостью. Ведется поиск подходящих теплоносителей на основе жидких металлов.

-в ходе химической реакции образуется тритий, очень опасный элемент для окружающей среды.

Схема потоков вещества и энергии в термоядерном реакторе.

1-выделение дейтерия, 2-камера ТЯС, 3-замедлитель, 4-полезная работа, 5-конденсатор, МО-мировой океан, n-нейтрон, ТР-тепловой реактор.

1.10.12 Современные способы производства электрической и тепловой энергии

Простейшая модель энергетической установки (Схема преобразования энергии топлива в электроэнергию )

1-энергия органического топлива

2-энергия ядерного топлива

3-внутренняя энергия рабочего тела

СТ – сжигание топлива

РЯТ – распад ядерного топлива

4-кинетическая энергия

Р – расширение рабочего тела

5 -электроэнергия Закономерности стадий показанных на схеме являются предмет термодинамики.

Простейшая схема энергетической установки ( модель энергетической установки ) 1- испаритель

2- расширитель

3- конеденсатор

A B C – направление движения

ПЭ – подводимая энергия

СР- совершаемая работа

ОЭ – отводимая энергия

Принцип работы простейшей схемы энергетической установки ( Принцип действия простейшей схемы энергетической установки )

В испаритель подается рабочее тело. За счет проводимой энергии вода испаряется и превращается в пар с высок0им давлением. Пар подается в расширитель. Здесь расширяясь он совершает работу-отдавая свою энергию. На выходе из турбины «С» рабочее тело- отработанный пар. Он передается в конденсатор где конденсируется и приобретает исходное состояние чтобы сконденсировать пар необходимо отвести из системы остаточную энергию, содержащуюся в паре. Эта энергия является потерями данной системы. После конденсатора рабочее тело приобретает исходное агрегатное состояние,температуру и давление, и после этого вновь подается в Испаритель.

Тепловые конденсационные электростанции (КЭС)

КЭС – является наиболее массовыми источниками электроэнергии в России (50% всей энергии РФ)

Источник энергии КЭС –используют органическое топливо и могут быть приспоболены для использования любого вида органического топлива.

На КЭС часто используется 2 вида топлива – основной и резервный.

Схема КЭС

Кт – котел

ДВ- дутьевой вентилятор

ПВ – питательная вода

ПН = Питательный насос

ДГ-дымовые газы

Д-дымосос

Т-паровая турбина

Г- роторный генератор

СН – собственные нужды

Тр – трансформатор

К-конденсатор

ИХВ – источник холодной воды

ЦН- циркуляционный насос

ДР-деаэратор

ХОВ химически очищенная вода

КН – конденсатный насос

Питательная вода - это вода прошедшая очистку и таким образом подготовленная для использования в котле для производства пара.

Принцип работы КЭС

В котел подается топливо воздух и питательная вода. Воздух подается дутьевым вентилятором, вода- питьевым насосом. Образующаяся при сгорании топлива, дымовые газы удаляются из котла дымососом и выброс в атмосферу через дымовую трубу. Образовавшийся в котле пар направляется в паровую турбину, где он совершает работу , вращая турбину и связанный с ней ротор – генератор . Отработанный пар из турбины поступает в конденсатор где конденсируется благодаря пропуску через конденсатор большого количества холодной воды. Источник холодной воды может быть естественный водоем или специальное устройство для охлаждения воды из источника холодной воды, охлажденная вода подается в конденсатор , с помощью циркуляционного насоса. Образовавшийся в конденсаторе конденсат с помощью конденсаторного насоса подается в деаэрат , устройство предназначенное для удаления из воды образовавшихся газов, в первую очередь О2, вызывая коррозию,Так же подается химически очищенная вода для восполнения неизбежных утечек. После деаратора питательная вода подается в котел.

Мощность КЭС - 4-5 ГВт, устанавливаются энергоблоки от 200 до 1200 МВт

Особенности КЭС:

1)Строится по возможности ближе к месторождения топлива 2)основную часть выработанной энергии отдают в сети высоких напряжений

3)Работают по свободному графику выработки электроэнергии(объем отпуска тепловой энергии)

4)Низкоманевренная

Маневренность – способность электростанции регулировать вырабатываемую ей электроэнергию

Разворот турбины энергоблока из холодного состояния до номинального режима требует от 3 до 10 часов

5) имеет низкий КПД (25-30%)

Тепловой баланс КЭС

ТСТ – тепло полученное при сжигании топлива

ПКт- потери в котле

Птр- потери в трубопроводах

Пт – потери в турбине

ТПЭ – тепло преобразованное в электроэнергию

Пк – потери конденсатора

Система технического водоснабжения тепловой электростанции.

На тепловых электростанциях крупными потребителями воды являются конденсаторы. Для их питания может быть применима прямоточная или оборотная система водоснабжения.

Прямоточная система проста и дешева, вода забирается из водоема используется в конденсаторе и сбрасывается в водоем. Недостаток – необходимо присутствия с электростанцией водоема. При отсутствии рядом с электростанцией достаточно крупного водоема принимают оборотные схемы где один и тот же запас используется многократно.

После конденсатора вода охлаждается в специальных охлаждающих устройствах и вновь подается в конденсатор. Наиболее распространенным устройством охлаждения для системы оборотного водоснабжения является градирня

8.10.12 Система оборотного водоснабжения конденсатора тепловой электростанции с градирней.

Основными потребителями технической воды на ТЭС являются конденсаторы паровых турбин. Для водоснабжения конденсаторов применяется либо прямоточная либо оборотная система водоснабжения. Прямоточная система является более простой и дешевой. В данном случае вода для конденсаторов забирается из естественного водоема, а вода использованная сбрасывается обратно в этот же водоем. Недостаток : необходимость наличия крупного водоема. Если водоем отсутствует один и тот же объем воды на электростанции используется многократно. Нагретая вода после конденсаторов охлаждается и используется заново – оборотная система. Необходимо устройство для охлаждения воды – наиболее распространенным является градирня.

Схема оборотного водоснабжения конденсатора градирней

1 - Градирня

2 - Конденсатор

3 - циркуляционный насос

4 – бассейн охлажденной воды

5 – отвод охлажденной воды

6 – подвод охлажденной воды

7 – распределенный желоб

8 – оросительное устройство

НВВ= нагретый влажный воздух

ХВ- холодный воздух

П – подпиточная вода

Работа конденсатора с градирней:

Нагретая вода из конденсаторов поступает в распределительный желоб где происходит ее разбрызгивание проходя через оросительное устройство вода охлаждается стекая вниз по специальным направляющим увеличивающим путь ее течения. Охлажденная вод поступает в бассейн в основании градирни ,из бассейна вода забирается циркуляционными насосами и подается в конденсаторе.

Газовоздушный тракт тепловой электростанции ( Газовоздушный тракт ТЭС)

Паровые котлы ТЭС требуют большого количества воздуха для сжигания топлива. При этом образуется еще большее, кол-во продуктов сгорания. Для подачи в котлы воздуха и удаления из них дымовых газов используется комплекс устройств которые называются газовоздушный тракт.

Схема газовоздушного тракта

1 – горелочное устройство

2 – котел

3 – детьевой вентилятор

4 – воздухоподогреватель 5 – дымосос 6 – дымовая труба ДГ – дымовые газы