Раздел 2. Системы энергоснабжения населенных пунктов и зданий Глава 11. Основы энергоснабжения
Топливно-энергетический комплекс оказывает определяющее влияние на формирование основных пропорций и эффективность функционирования экономики страны. Так, на его развитие ежегодно затрачивается около 30% всех капиталовложений, в нем занято более 15% всех трудящихся, которые работают на двух тысячах шахт, карьеров, нефтяных и газовых промыслах, нефтеперерабатывающих и углеобогатительных предприятиях, нескольких тысячах электростанций разной мощности и в сотнях тысяч котельных.
В настоящее время из общего количества потребляемых в стране энергоресурсов около 20% расходуется на жилищно-коммунальные и бытовые нужды населения.
11.1. Основные схемы энергоснабжения
Для энергоснабжения городов в настоящее время применяются следующие основные схемы.
1. Теплоэлектрическая, при которой электроэнергия используется для освещения, приготовления пищи, бытовых и силовых процессов, при централизованном теплоснабжении систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.
2. Частично теплоэлектрическая, которая отличается от первой приготовлением пищи не на электрических, а на плитах, использующих органическое топливо (дровяных, угольных, газовых).
3. Газоэлектрическая, при которой электроэнергия подается только для целей освещения, силовых и бытовых процессов, а природный газ используется для приготовления пищи и получения горячей воды, а также для отопления и вентиляции.
4. Смешанные – теплогазоэлектрические, когда электроэнергия подается для целей освещения, бытовых и силовых процессов; отопление и вентиляция осуществляются от централизованных источников теплоснабжения, природный (искусственный) газ используется для приготовления пищи, а горячее водоснабжение осуществляется за счет централизованных источников теплоснабжения, либо за счет газовых водонагревателей.
Теплогазоэлектрическая схема в настоящее время является наиболее характерной для городов Российской Федерации. При ее использовании наиболее важным следует считать вопрос о выборе источника получения теплоты низкого потенциала, в качестве которых можно использовать газовые колонки (водонагреватели), котельные установки (КУ) или теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Данную схему можно рассматривать как переходную к более совершенной тепло-электрической, при которой нужды приготовления пищи обеспечиваются электроэнергией.
Различные виды выработки теплоты и электроэнергии представлены на рис. 11.1. Возможные пути повышения эффективности теплофикации отражены на рис. 11.2.
Рис. 11.1.Виды выработки теплоты и электроэнергии
Рис. 11. 2. Пути повышения эффективности теплофикации
Виды топлива и процесс горения. Как видно из вышеизложенного, при любой схеме энергоснабжения населенных пунктов ключевым фактором является источник тепловой энергии. Тепловая энергия может быть получена за счет возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, гидравлической); за счет энергии ядерных реакций; за счет энергии ядра Земли (геотермальная), и др. В настоящее время в нашей стране основным способом получения тепловой энергии является сжигание органического топлива (нефтепродукты, уголь, сланцы, газ, и др.).
Для сопоставления различных видов топлива вводится понятие условного топлива (у. т.), при сжигании 1 кг которого выделяется 7 000 ккал теплоты, или нефтяного эквивалента (н. э.) с теплотой сгорания 10 000 ккал/кг н. э.
Специалисты дают следующие оценки доказанных запасов органических топлив, млрд. т у. т: твердое топливо - 1280 (3860), нефть 138 (51), нетрадиционная нефть - 19 (434), природный газ -105 (223), уран - 37 (46). В скобках указаны дополнительные запасы. Этих запасов достаточно, чтобы обеспечить современный уровень потребления угля в течение 430 лет, нефти - 35 лет, природного газа - 50 лет.
Топливом называют естественные и искусственные вещества, которые технически целесообразно и экономически выгодно сжигать для получения тепловой энергии. По происхождению различают природные и искусственные топлива, по агрегатному состоянию - твердые, жидкие и газообразные. К твердым топливам относят торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, дрова и сланцы. В качестве жидкого топлива используют бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, т. е. продукты переработки нефти. Природный газ может находиться в залежах трех типов: газовых, газонефтяных и газоконденсатных. К искусственным газам относят газы, которые образуются при переработке других видов топлива или при их сжигании, например, генераторный, коксовый, подземной газификации, доменный и др.
Горение есть процесс быстрого химического соединения горючих элементов топлива с окислителем, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты. Процесс горения - это сочетание физических (перемешивание топлива с окислителем, подогрев, испарение) и химических процессов (окисление топлива).
Рассмотрим расчетные реакции горения горючих элементов топлива для полного горения:
Горение углерода:
С + О2 = СО2 + 34МДж/кг,
12 + 32 = 44 [кг] или 1 + 2,67 = 3,67 [кг].
При полном окислении (сгорании) 1 кг углерода С выделяется 34 МДж тепловой энергии. При этом один Моль углерода содержит 12 кг; 1 Моль кислорода О2 - 32 кг. Всего при реакции 1 Моля углерода и 1 Моля кислорода образуется один Моль двуокиси углерода СО2 44 кг. Соответственно, для реакции горения 1 кг углерода требуется 2,67 кг кислорода, при этом образуется 3,67 кг двуокиси углерода и 34 МДж тепловой энергии.
Горение водорода:
2Н2 + О 2 = 2Н2О + 143 МДж/кг.
4 + 32 = 36 [кг] или 1 + 8 = 9 [кг].
При полном окислении (сгорании) 1 кг водорода Н2 выделяется 143 МДж тепловой энергии. При этом один Моль водорода содержит 2 кг; 1 Моль кислорода О2 - 32 кг. Всего при реакции 2-х Молей водорода и 1 Моля кислорода образуется два Моля воды Н2О - 36 кг. Соответственно, для реакции горения 1 кг водорода требуется 8 кг кислорода, при этом образуется 9 кг воды и 143 МДж тепловой энергии.
Окисление серы:
S + O2=SO2 + 9,15 МДж/кг.
32 + 32 = 64 [кг] или 1 + 1 = 2 [кг].
При полном окислении (сгорании) 1 кг серы S выделяется 9,14 МДж тепловой энергии. При этом один Моль серы содержит 32 кг; 1 Моль кислорода О2 - 32 кг. Всего при реакции 1 Моля серы и 1 Моля кислорода образуется один Моль двуокиси серы SО2 64 кг. Соответственно, для реакции горения 1 кг серы требуется 1 кг кислорода, при этом образуется 2 кг двуокиси серы и 9,15 МДж тепловой энергии. При полном сгорании в среде воздуха продукты сгорания состоят из смеси углекислого газа СО2, сернистого ангидрида SO2, паров воды Н2О, кислорода и азота.
Эффективность сжигания топлива определяется полнотой сгорания всех его горючих компонентов. В целях достижения максимальной полноты сгорания топлива разрабатываются различные методы. В основу классификации способов сжигания положена аэродинамическая характеристика процесса, определяющая условия подвода окислителя к зоне реакции горения. Эти условия оказывают основное влияние на удельную производительность и экономичность топочного процесса. Различают слоевой, циклонный, в кипящем слое и факельный способы сжигания топлива. Факельный способ сжигания топлива, используемый для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива, требует специальной их подготовки и является наиболее распространенным.
Рис. 11.3. Схемы процессов сжигания топлива:
а - слоевое; .б - факельное; в – вихревое
При слоевом способе сжигания (рис. 11.3, а) твердое топливо, находящееся на неподвижной или движущейся колосниковой решетке, омывается воздухом, подаваемым снизу. Основная часть топлива сгорает в виде кокса. Суть данного способа заключается в том, что дробленый уголь подается в цилиндрическую камеру сгорания (циклон) и под действием воздуха, тангенциально подводимого с большой скоростью, отбрасывается к стенкам камеры.
При факельном способе (рис. 11.3, б) горения пылинки твердого, капли жидкого, элементы газообразного топлива находятся во взвешенном состоянии и, перемещаясь вместе с потоком воздуха (газов), быстро выгорают (0,5-20 с).)
При вихревом (циклонном) топочном процессе (рис. 11.3, в) перемещение частиц твердого топлива осуществляется газовоздушным потоком. При этом частицы топлива циркулируют по обтекаемому контуру топки столько, сколько необходимо для их полного сгорания. Циркуляция газового потока в вихревой топке создает за счет центробежных сил подвижный уплотненный слой, который интенсивно обдувается потоком.
Расчетные энергетические нагрузки - это максимальные часовые (получасовые) расходы энергии, которые определяют производительность, мощность и режим работы систем энергоснабжения. Таким образом, нагрузка является решающим фактором для расчета, выбора схем и источников энергоснабжения, количества единичной мощности устанавливаемых агрегатов, пропускной способности энергетических коммуникаций и, следовательно, для определения объема капитальных вложений и эксплуатационных расходов.