Общая энергетика

приходится более 85 % отказов по теплоэнергетической системе в целом.

Прокладка трубопроводов тепловых сетей может быть подземной в проходных и непроходных каналах – 84 %, бесканальной подземной – 6 % и надземной (на эстакадах) – 10 %. В среднем по стране свыше 12 % тепловых сетей периодически или постоянно затапливаются грунтовыми или поверхностными водами, в отдельных городах эта цифра может достигать 70 % теплотрасс. Неудовлетворительное состояние тепловой и гидравлической изоляции трубопроводов, износ и низкое качество монтажа и эксплуатации оборудования тепловых сетей отражается статистическими данными по аварийности. Так, 90 % аварийных отказов приходится на подающие трубопроводы и 10 % – на обратные, из них 65 % аварий происходит из-за наружной коррозии и 15 % – из-за дефектов монтажа (преимущественно разрывов сварных швов). При протяженности теплотрасс свыше 20 км, что типично для большинства городов, установка электрического бойлера в отдельно стоящем доме становится экономически более выгодной, чем централизованное теплоснабжение.

В связи с этим все чаще применяется децентрализованное теплоснабжение, к которому следует отнести как поквартирные системы отопления и горячего водоснабжения, так и домовые, включая многоэтажные здания с крышной или пристроенной автономной котельной.

1.6. Потребители электрической энергии

При проектировании системы электроснабжения потребителей электроэнергии (отдельный электроприемник, группа электроприемников, цех, предприятие и др.) рассматривают в качестве электрических нагрузок.

По характеру нагрузок различают потребителей активной и реактивной мощности. Активную мощность потребля-

31

ют многие термоэлектрические установки, электропечи, осветительные установки и др. Потребителями реактивной мощности являются силовые трансформаторы, электродвигатели, конденсаторные батареи и др. Как правило, эквивалентная нагрузка большинства потребителей электроэнергии является активно-индуктивной, а следовательно, потребляется и активная и реактивная электроэнергия.

По режиму работы отдельные электроустановки потребителей могут работать в длительном тепловом режиме (электродвигатели насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров и т.п.), кратковременном тепловом режиме (электродвигатели шиберов, задвижек, шаровых кранов и т.п.) или повторно-кратковременном тепловом режиме (электродвигатели подъемно-транспортных механизмов, роботов-манипу- ляторов, металлорежущих станков и др.).

По величине мощности и напряжения различают потре-

бителей электроэнергии малой, средней и большой мощности, низкого и высокого напряжения. К потребителям низкого напряжения и малой и средней мощности относят потребителей электроэнергии напряжением до 1 кВ (220, 380 и 660 В) и мощностью до 100 кВт. К потребителям высокого напряжения и большой мощности относят потребителей, питающихся напряжением свыше 1 кВ (3, 6 и 10 кВ) и мощностью свыше 100 кВт, однако ряд потребителей большой мощности получает питание по сети 380–660 В.

По роду тока различают потребителей переменного тока промышленной частоты 50–60 Гц (асинхронные и синхронные двигатели, тиристорные преобразователи и др.), повышенной частоты 0,1–1 кГц (электроинструмент, высокоскоростной электропривод, шлифовальные станки и др.), высокой частоты 1–10 кГц и сверхвысокой частоты свыше 10 кГц (печи индуцированного нагрева, СВЧ-печи и др.).

По степени надежности электропитания различают потребителей первой, второй и третьей категории [1].

32

Электроприемники первой категории – электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, угрозу для безопасности государства, значительный материальный ущерб, нарушение сложного технологического процесса, а также функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства, объектов связи и телевидения.

Из состава электроприемников первой категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов и пожаров.

Электроприемники второй категории – электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.

Электроприемники третьей категории – все остальные электроприемники, не относящиеся к первой и второй категориям.

Структура потребления электроэнергии в России основ-

Главным потребителем электроэнергии является промышленность. Наиболее энергоемкими отраслями промышленности являются черная и цветная металлургия, химическая промышленность и машиностроение. В этих отраслях промышленности до 70 % электроэнергии потребляют электродвигатели. В электротехнологических установках (электропечах, электролизерах и др.) потребляется до 25–35 %. На освещение расходуется 5–10 % электроэнергии.

1.7. Графики электрических и тепловых нагрузок энергосистем

Потребляемая мощность энергосистемы меняется в течение суток, по дням недели и месяцам года, что объясняется переменным характером потребления и его структурой. Основную часть электрической нагрузки составляет промышленное потребление электроэнергии односменными, двухсменными и трехсменными предприятиями (рис. 1.1, а).

Суточный график электрической нагрузки энергосистемы отличается также по дням недели (рабочий и нерабочий день) и по временам года. Наибольшие электрические нагрузки имеют место осенью и зимой (осенний и зимний максимум), т.е. в период отопительного сезона. Формирование суточного графика электрической нагрузки рабочего дня рассматривается как сумма нагрузки различных категорий потребителей. В результате наложения электрической нагрузки двухсменных и односменных предприятий и нагрузки, имеющей пиковый характер, получается характерный суточный график нагрузки энергосистемы с ночным провалом, последующим быстрым утренним ростом нагрузки

34

до утреннего пика, дневным неглубоким провалом и последующим вечерним пиком, после которого следует быстрый спад нагрузки. Параллельная работа электростанций энергосистемы помогает покрывать этот переменный суточный график электрической нагрузки.

Для обеспечения утреннего и особенно вечернего максимума подключаются пиковые электростанции, в часы ночного провала электрической нагрузки часть турбин и соответственно котлов разгружается и несет минимальную технически допустимую нагрузку (технический минимум), часть турбин и котлов выводится в резерв.

Рис. 1.1. Суточные графики электрической нагрузки энергосистемы: а – формирование суточных графиков нагрузки энергосистемы; б – графики нагрузки по дням недели

На рис. 1.1, б показаны суточные графики электрической нагрузки энергосистемы по рабочим и выходным дням недели, а также в субботу – график промежуточный между пятницей (рабочим днем) и воскресеньем (выходным днем).

35

Суммарная электрическая нагрузка распределяется между электростанциями энергосистемы с учетом их маневренности, т.е. способности к работе по переменному графику нагрузки, и тепловой экономичности.

На рис. 1.2, а, б приведен характерный суточный график электрической нагрузки энергосистемы в зимний и летний дни. На рис. 1.2, в показан годовой график продолжительности электрических нагрузок, который строится по суточным графикам нагрузки – зимнему и летнему, рабочего и нерабочего дней. Годовой график электрических нагрузок по продолжительности (график Росандера) описывается формулой

P / Pмакс 1 1 f0 / год ,

где P, Pмакс – соответственно текущее и максимальное значение мощности;

τ, τгод – соответственно текущее и годовое (8760 ч) время; f0 – отношение минимальной и максимальной мощности

годового графика нагрузки; f0 = Pмин /Pмакс; f – коэффициент годовой нагрузки;

λ – показатель степени, зависящий от коэффициента годовой нагрузки, f f0 / 1 f .

36

Рис. 1.2. Суточный график электрической нагрузки энергоблока: а – зимний день; б – летний день; в – построение годового графика электрических нагрузок по продолжительности

Годовое потребление электрической энергии равно площади под кривой на графике Росандера (см. рис. 1.2, в):

Wгод Pd f Pмакс год.

Тепловая энергия требуется для технологических процессов и силовых установок промышленности, для отопления и вентиляции производственных, жилых и общественных зданий, кондиционирования воздуха и бытовых нужд (горячего водоснабжения). Для производственных целей обычно требуется насыщенный пар давлением от 0,15 до 1,6 МПа. Однако чтобы уменьшить потери при транспортировке и избежать необходимости непрерывного дренирования воды из коммуникаций, с электростанции пар отпускают несколько перегретым. На отопление, вентиляцию и бытовые нужды с теплоэлектроцентрали обычно горячая вода поступает с температурой от 70 до 150 °С в городские тепловые сети и от 70 до 180 °С – в пригородные.

Различают местное и централизованное теплоснабже-

ние. Система местного теплоснабжения обслуживает одно или несколько зданий, система централизованного – жилой или промышленный район. В системах местного теплоснабжения источниками тепла служат печи, водогрейные котлы, водонагреватели (в том числе солнечные) и т.п. В России наибольшее применение нашло централизованное теплоснабжение (в связи с этим термин «теплоснабжение» чаще всего употребляется применительно к системам централизованного теплоснабжения). Его основные преимущества перед местным теплоснабжением: значительное снижение расхода топлива и эксплуатационных затрат (например, за счет автоматизации котельных установок и повышения их КПД); воз-

37

можность использования низкосортного топлива; уменьшение степени загрязнения воздушного бассейна и улучшение санитарного состояния населенных мест.

Централизованная система теплоснабжения включает в себя источник теплоты (промышленная и районная отопительная котельная, теплоэлектроцентраль), трубопроводы для транспортирования теплоты (паровые или водяные тепловые сети) и установки потребителей, использующие теплоту для технологических или бытовых нужд и присоединяемые к сети через тепловые пункты.

Централизованное теплоснабжение с ТЭЦ в качестве источника теплоты называется теплофикацией. Последняя благодаря комбинированной выработке электроэнергии и теплоты на ТЭЦ дает существенную экономию топлива.

Теплота на бытовые нужды (горячее водоснабжение)

может подаваться с водой, поступающей к потребителю из тепловой сети, и с предварительно нагретой водопроводной водой. При горячем водоснабжении, осуществляемом сетевой водой, схему называют открытой, при горячем водоснабжении предварительно нагретой водопроводной водой –

закрытой схемой.

Технологические потребители являются, как правило, круглогодовыми и имеют преимущественно ровный суточный график нагрузки (нефтеперегонные заводы, нефтехимические и химические комбинаты и др.). Некоторые теплопотребляющие предприятия работают в две смены и имеют ночной провал тепловой нагрузки. Подача пара технологическим потребителям осуществляется обычно по однотрубному паропроводу надземной прокладки.

Тепловая нагрузка электростанции, определяемая расходом теплоты на производственные процессы и бытовые нужды (горячее водоснабжение), практически не зависит от наружной температуры воздуха. Однако летом эта нагрузка несколько меньше, чем зимой. В то же время промышленная

38

ибытовая тепловые нагрузки резко изменяются в течение суток. Кроме того, среднесуточная нагрузка электростанции при использовании теплоты на бытовые нужды в конце недели и предпраздничные дни значительно выше, чем в другие рабочие дни недели. Типичные графики изменения суточной тепловой нагрузки промышленных предприятий и горячего водоснабжения жилого района показаны на рис. 1.3 и 1.4.

Отопительная тепловая нагрузка, расход теплоты на вентиляцию и кондиционирование воздуха зависят от температуры наружного воздуха

иимеют сезонный характер.

Расход теплоты на отопление и вентиляцию наибольший зимой и полностью отсутствует в летние месяцы; на

кондиционирование воздуха теплота расходуется только летом (поэтому расширение сферы применения кондиционированного воздуха приведет к повышению эффективности теплофикации).

Для крупных городских и пригородных ТЭЦ основным видом тепловой нагрузки является отопительная, и поэтому значение τмакс для них ниже числа часов использования максимума электрической нагрузки.

39

Рис. 1.4. Суточные графики изменения расхода теплоты на бытовые нужды района: а – в рабочие дни недели; б – по субботам

Потребление теплоты на горячее водоснабжение является круглогодичным, однако средняя нагрузка летом снижается относительно зимней на 15–25 %. График нагрузки горячего водоснабжения (Qг) в течение одних суток приведен на рис. 1.5 и подобен суточному графику потребления электроэнергии.

Рис. 1.5. Суточный график нагрузки горячего водоснабжения

Ночью имеет место глубокий провал нагрузки, затем утром – пик нагрузки, за которым следуют дневной провал примерно до среднесуточной нагрузки Qср и вечерний пик. Суточные графики нагрузки горячего водоснабжения раз-

40