Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энергосбережение в теплоэнергетике, теплотехнике и теплотехнологиях. Учебное пособие.pdf
п
Министерство о
б
ч
г
Е
Е
Е
д
в
н
У
м
д
б
к
д
х
М
Е
,
О
т
г
н
л
н
н
м
о
У
д
л
и
Х
т
и
л
п
»
п
Федеральное г
«Тамбовский
В
ТЕПЛОЭН
на
равления подгото
Н.
ЭН
И Т
Утверж
для студе
(профиль
ко
разования и нау
осударственное бю
у
реждение высшего
осударственный те
П. Жуков, Н. Ф.
РГОСБЕР
РГЕТИКЕ
ПЛОТЕХН
ено Учёным сове
качестве учебно
тов очной и заоч
вки 13.03.01 «Теп
«Энергообеспече
чебное электрон
плексного распр
и Российской Фе
жетное образовате
образования
нический универс
айникова
ЖЕНИЕ
ТЕПЛОТЕ
ЛОГИЯХ
ом университета
о пособия
ой форм обучен
оэнергетика и те
ие предприятий
ое издание
странения
ерации
ьное
тет»
НИКЕ
я
лотехника»
)
Тамбов
Из
ательство ФГБО
2017
ВО «ТГТУ»
1
УДК 620.9(075.8)
ББК 338я73
Ж86
Рецензенты:
Кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой
«Промышленная теплоэнергетика» ФГБОУ ВО
«Липецкий государственный технический университет»
В. Я. Губарев
Доктор технических наук, профессор кафедры
«Техническая механика и детали машин» ФГБОУ ВО «ТГТУ»
В. Ф. Першин
Ж86
Жуков, Н. П.
Энергосбережение в теплоэнергетике, теплотехнике и теплотехнологиях [Электронный ресурс] : учебное пособие /
Н. П. Жуков, Н. Ф. Майникова. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВО
«ТГТУ», 2017. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Системные
требования : ПК не ниже класса Pentium II ; CD-ROM-дисковод
44,8 Mb ; RAM ; Windows 95/98/XP ; мышь. –
IS
BN 978-5-8265-1689-8
Кратко изложены общие теоретические сведения, необходимые для
изучения курса «Энергосбережение в теплоэнергетике, теплотехнике и
теплотехнологиях». Рассмотрена законодательная база энергосбережения, энергосбережение при производстве, потреблении и транспортировке тепловой энергии, теоретическое описание процессов утилизации
высокотемпературных и низкотемпературных тепловых отходов.
Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения
направления подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»
(профиль «Эне
полезно студентам машиностроительных и других энергетических
направлений подготовки.
ргообеспеч
ение предприятий»), а также может быть
Загл. с экрана.
УДК 620.9(075.8)
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
ISBN 978-5-8265-1689-8
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2017
ББК 338я73
2
ВВЕДЕНИЕ
Термин «энергосбережение» уже прочно вошёл в производственную сферу, а также активно входит в социальную сферу (быт). Под
ним понимается реализация правовых, научных, технических, экономических, производственных и организационных мер, направленных
на рациональное и экономное расходование (использование) топливно-энергетических ресурсов при максимально возможном (для современного уровня развития техники и тех
нологий) пр
именении возоб-
новляемых источников энергии.
Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов
остаётся одной из важнейших задач, стоящих перед экономикой нашей
страны.
Постепенное истощение запасов органического топлива, рост цен
на энергоносители, заметное ухудшение экологической обстановки,
всё возрастающее усиление конкуренции на мировых рынках продовольственных товаров и промышленной продукции и услуг делают
и
проблему рац
онального энергопотребления ещё более острой.
В настоящее время в нашей стране завершается этап формирования системы и структуры по рациональному энергопотреблению, однако проблема энергосбережения ещё не решена окончательно, хотя
принятые за последние пять лет большое количество директивных документов и нормативных актов позволяет сделать вывод о том, что эта
ма из пассивной стадии перешла в стадию активную. Накоплен
робле
п
определенный опыт, сложилось несколько конкретных направлений
формирования энергосберегающей политики как на федеральном, так
и региональном уровнях.
Распоряжением Правительства Российской Федерации от
13.11.2009 г. № 1715-р утверждена Энергетическая стратегия России
на период до 2030 года с её пролонгацией до 2035 года, где в качестве
х ориентиров государственной энергетической
одного из стратеги
чески
политики определена энергетическая эффективность экономики.
Принят Федеральный закон от 03.07.2016 г. № 269-ФЗ «О внесении изменений в статью 13 Федерального закона «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
Следует также отметить, что по рассматриваемой те
стоянн
о возникает необходимость в разработке и издании (переизда-
матике по-
нии) учебной литературы, в которой бы рассматривались вопросы рационального энергопотребления (законодательные и нормативные документы, практика энергосбережения и др.).
3
1. ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ, ПОНЯТИЯ
Энергоноситель – вещество (твёрдое, жидкое, газообразное) или
иные формы материи (плазма, излучение и т.д.), запасённая энергия
которых может быть использована в целях энергоснабжения. Энергоносители подразделяются на природные, образовавшиеся в результате
природных процессов, и произведенные, т.е. полученные в результате
технологического процесса.
Топливо – вещества, которые могут быть использованы в хозяйственной дея
тельности для по
его сжигания [1].
Первичная энергия – энергия, заключённая в топливноэнергетических ресурсах.
Полезная энергия – энергия, теоретически необходимая для
осуществления технологических процессов, выполнения заданных
операций, работы.
Возобновляемые топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) –
природные энергоносители, постоянно пополняемые в результате естественных (природных) процессов.
Энергоустановка – комплекс взаимосвязанного оборудования и
сооружений, предназначен
(производства, преобразования, передачи, накопления, распределения
и потребления энергии).
Рациональное использование ТЭР – использование топливноэнергетических ресурсов, обеспечивающее достижение максимальной
эффективности, с учётом ограниченности их запасов и соблюдения
требований снижения техногенного воздействия на окружающую среду и других требований общества (ГОСТ 30166–2014) [1].
Оно включает в себя:
1. Выбор оптимальной структур
соотношение различных видов энергоносителей для конкретного процесса).
2. Комплексное использование гидроресурсов (рек, водоёмов).
3. Комплексное использование топлива (в том числе использова-
ние в качестве вторичного энергоносителя).
4. Учёт использования органического топлива для нужд промышленности в качестве сырья.
Экономия ТЭР – в сравнении с базовым (эталонным) значением
сокращение потребления ТЭР на п
4
И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
лучения тепловой энергии вследствие
ных для выполнения оп
энергоносителей (оптимальное
ы
зводство продукции, выполне-
рои
ределённой работы
ние работ (или услуг требуемого качества) без нарушения экологических и других ограничений.
Энергосберегающая политика – системное проведение на государственном уровне программы мер, направленных на создание необходимых условий организационного, материального, финансового
(или иного характера) для рационального использования и экономного
расходования ТЭР.
Непроизводственный расход ТЭР – потребление ТЭР, обусловленное несоблюдением (или нар
ушением) тр
ебований, установленных
государственными стандартами, иными нормативными актами, методическими документами.
Энергетическое обследование (энергоаудит) – обследование
потребителей для установления показателей эффективности использования ТЭР, а также выработки экономически обоснованных мероприятий по повышению этих показателей.
Топливно-энергетический баланс – система показателей, отражающая полное количественное соответствие между потреблением и
тер
расходованием ТЭР (включая по
и, остаток) на предприятии (в организации) в целом или на отдельных его участках (в отрасли, регионе,
на предприятии, в цеху, на участке, на установке) за указанный период
времени.
Энергетический паспорт производственного объекта – нормативный документ, отражающий баланс потребления ТЭР, показатели
эффективности их использования в процессе его хозяйственной деятельности и со
держащий энергосбе
регающие мероприятия.
Энергетический паспорт здания – документ, содержащий геометрические, энергетические и теплотехнические характеристики здания (проекта здания), ограждающих конструкций, а также устанавливающий соответствие их требованиям нормативных документов.
Энергетический баланс – равенство между суммарной подведённой энергией и суммарной полезной и потерянной энергией (это
выражение закона сохранения энергии).
Сводный эне
ргетический ба
ланс – это равенство приходной и
расходной частей всех видов энергоресурсов. Он составляется для
объектов, объединённых по территориальному или производственноотраслевому признаку.
Чистый энергетический баланс составляется по одному из ви-
дов энергоресурсов.
Опытный энергетический баланс – баланс, составленный с
применением средств измерений.
5
Расчётный энергетический баланс – баланс, составленный на
основании расчётных данных (теплотехнических, теплотехнологических, конструкторских и т.д.).
Синтетический баланс – отражает общее потребление и распределение ТЭР по направлениям их применения.
Проектный аналитический баланс – потребление энергоресурсов при условии устранения непроизводительных потерь и при неизменных потерях, которые заложены в проекте.
Проектный приведённый ан
алитический ба
ланс – баланс, ко-
торый составляется по всем видам потребляемых энергоносителей в
расчёте на условное топливо.
Проектный рационализированный аналитический баланс –
баланс, который составляется с учётом отдельных энергосберегающих
технологий, не изменяющих технологию производственного процесса.
Проектный оптимальный аналитический баланс – баланс, который составляется с учётом энергосберегающих мероприятий при
применении новых те
Энергос
берегающая технология – новый (или усовершенство-
хнологий.
ванный) технологический процесс, характеризующийся более высоким
коэффициентом полезного использования ТЭР.
Сертификация энергопотребляющей продукции – подтвер-
ждение соответствия продукции нормативным, техническим, технологическим, методическим и иным документом в части потребления
энергоресурсов топливно- и энергопотребляющим оборудованием.
К показателям эффективности использования ТЭР относятся:
1. Показатель энергетической эффективности – абсолютная,
носительная) величина потребления (или потерь)
удельная (или о
т
энергетических ресурсов для вырабатываемой продукции или технологического процесса.
2. Коэффициент полезного использования энергии – отношение всей полезно используемой энергии (на участке, энергоустановке,
предприятии и т.п.) к суммарному количеству израсходованной энергии в пересчёте её на первичную.
3. Коэффициент полезного действия – отношение полезной
энергии к за
траченной и харак
теризующее совершенство процессов
превращения, преобразования или передачи энергии.
4. Потери энергии – разность между количеством подведённой и
затраченной энергии.
5. Полная энергоёмкость продукции – расход энергии и(или)
топлива на производство продукции, включая расход на добычу,
транспортирование, переработку полезных ископаемых и производст-
6
во сырья, материалов, изделий (деталей) с учётом коэффициента использования сырья и материалов.
6. Энергоёмкость производства продукции – потребление энергии и(или) топлива на основные и вспомогательные технологические
процессы производства продукции, выполнение работ (оказание услуг) на базе заданной технологической системы (оборудования, технологии).
7. Показатель экономичности энергопотребления изделия –
количественная характеристика эксплуатационных свойств изде
ражающих его техническое совершенство, определяемое совершен-
от
лия,
ством конструкции и качеством изготовления, уровнем (или степенью)
потребления им энергии и(или) топлива при использовании этого изделия по прямому функциональному назначению [1].
Теплота сгорания топлива (теплотворная способность) – количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг твёрдого или
жидкого или 1 м
3
газообразного топлива.
Высшая теплота сгорания топлива – максимальное количество
теплоты, которое можно получить в результате химической реакции
горения топлива.
Низшая теплота сгорания топлива – разность между высшей
теплотой сгорания и теплотой, затраченной на испарение воды, содержащейся в топливе, а также образующейся в результате химической
реакции горения топлива.
Условное топливо – то
пливо, ко
торое имеет низшую теплоту
сгорания 29,33 МДж/кг (7000 ккал/кг).
Первичное условное топливо – условное топливо с учётом затрат энергии на добычу топлива, его транспортировку потребителю,
подготовку или переработку.
Нефтяной эквивалент – 1 т топлива с теплотой сгорания
41,9 МДж/кг (10000 ккал/кг), близкой к теплоте сгорания сырой нефти – 43,7…46,2 МДж/кг
(10 430…11 026 кк
ал/кг) [6].
7
2. ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ
Топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) – совокупность при-
родных и произведённых энергоносителей, запасённая энергия которых доступна для использования в хозяйственной деятельности. Они
делятся на первичные и вторичные.
Первичные топливно-энергетические ресурсы подразделяются
на возобновляемые и невозобновляемые [2].
К первичным топливно-энергетическим ресурсам относятся ресурсы, получаемые непосредственно из природных источников для
последующег
о п
реобразования их в другие виды энергии или для непосредственного применения. Часто первичные энергоресурсы не могут быть использованы непосредственно и должны быть извлечены и
подготовлены к последующему применению.
Вторичные топливно-энергетические ресурсы (ВЭР) – топ-
ливно-энергетические ресурсы, получаемые как отходы или побочные продукты основного или вспомогательного технологического
проц
есс
а.
ВЭР подразделяются на следующие группы:
– Горючие ВЭР, получаемые в результате технологических про-
цессов с участием тепловых и сырьевых (горючих) ресурсов: например, коксовый и доменный газы в чёрной металлургии; водород – при
производстве каустической соды; печной газ – при производстве жёлтого фосфора; загрязнённое дизельное топливо и др.;
– Тепловые ВЭР, т.е. энерге
тические ресурсы, включа
ющие в
себя не только источники получения энергии, но и произведённые
энергетические ресурсы. К ним в первую очередь относят тепло рабочих тел, систем принудительного охлаждения агрегатов, тепловую
энергию (в большинстве случаев энергию, передаваемую в виде горячей воды и водяного пара) и электрическую энергию. Электрическая
энергия далее мо
жет быть вно
вь преобразована в другие виды энергии;
– ВЭР избыточного давления, к которым относятся газы и жидкости, обладающие потенциальной энергией, покидающие технологические агрегаты под избыточным давлением, достаточным для их
дальнейшего использования.
Существуют следующие основные направления использования
ВЭР различных видов: топливное, тепловое, силовое и комбинированное [3].
8
2.1. НЕВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ
К невозобновляемым источникам энергии относится большинство видов природного органического топлива, а также ядерное с использованием которых производится более 90% тепловой и электрической энергии.
Органическое топливо. По агрегатному состоянию оно делится
на твёрдое, жидкое, газообразное. По происхождению – на естественное и искусственное. По способу использования – на котельно-печное
и моторное.
По с
ставу твёрдое топливо включает в себя горючую и негорю-
о
чую (влага, зола) составляющие, а также серу.
Твёрдое топливо. К твёрдому топливу относятся уголь (камен-
ный и бурый), сланцы, торф, древесина.
Уголь является самым распространённым и потребляемым твёрдым топливом. Его запасы на Земле по состоянию на 2013 год оцениваются бо
лее чем в 9
00 000 млн т. Угли различают по составу, а следовательно, по теплоте сгорания. Низшая теплота сгорания колеблется
в пределах от 9,0…16,0 МДж/кг (для бурых углей) до 16,0…
29,0 МДж/кг (для каменных углей). Содержание серы в углях может
доходить до 7%.
Сланцы – твёрдое топливо, обладающее высокой влажностью и
зольностью (до 60%). Низшая теплота сг
оран
ия колеблется в пределах
от 6,0 до 10,0 МДж/кг. Из-за высокого содержания водорода легко
воспламеняется.
Торф также имеет высокую влажность (до 50%) и низкую теплоту
сгорания (от 8,4 до 10,5 МДж/кг).
Древесина также является распространённым видом твёрдого топлива. Теплота сгорания древесины колеблется от 8,0 до 15,0 МДж/кг
в зависимости от содержания в ней влаги.
Сланцы, торф и др
евесину отн
осят к местным видам топлива.
Кокс – искусственное твёрдое топливо с содержанием углерода
96…98%. Его получают путём нагрева естественного твёрдого топлива
без доступа воздуха. Он используется в качестве топлива в металлургической промышленности при получении чугуна.
При переработке твёрдого топлива может быть получено как
жидкое, так и г
азообразное то
пливо.
Жидкое топливо. Нефть относится к жидкому топливу, однако
сама нефть в качестве топлива практически не применяется, а исполь-
9
зуются продукты её переработки (бензин, керосин, дизельное топливо,
мазут).
В зависимости от значения плотности нефть подразделяется на
лёгкую (650…870 кг/м
3
(911…1050 кг/м
).
3
), среднюю (871…910 кг/м3) и тяжёлую
Мазут является продуктом переработки нефти (тяжёлая фракция
3
с плотностью 890…1000 кг/м
). Используется в качестве энергетиче-
ского топлива и подразделяется на различные марки в зависимости от
содержания серы значения вязкости. При глубокой переработке (крекинге, реформинге) он может быть использован в качестве сырья для
получения светлых нефтепродуктов.
Газообразное топливо.
Природный газ является самым распространённым, экологически
чистым применяемым видом газообразного топлива. Перед применением его в ка
честве то
плива природный газ, основу которого составляет метан, проходит осушку, очистку от сероводорода и отделения
тяжёлых фракций.
Попутный нефтяной газ также относится к газообразному топливу. Он добывается при разработке нефтяных пластов, а также получается как продукт переработки нефти. Из попутного газа при его переработке отдел
яют бензино
вую фракцию.
Котельно-печное (энергетическое) топливо. В эту группу вхо-
дят: природный газ, мазут и каменный уголь. Эти виды топлива сжигаются в котлах электростанций, котельных (отопительных, производтвенно-отопительных).
Моторное топливо.
Бензин, керосин, дизельное топливо, сжиженный газ как представители жидкого топлива применяются в качестве моторного топлива
иво
для пр
да машин, установок (ДВС, газотурбинные, ракетные двигатели). Бензин и дизельное топливо представляют собой смесь лёгких
углеводородов различной плотности. Теплота сгорания колеблется в
зависимости от марки топлива, например для бензина марки АИ-93
низшая теплота сгорания составляет 44 МДж/кг, для дизельного топлива – 42,6 МДж/кг [4].
Ядерное топливо. Различают понятия «ядерное то
пливо» и
«ядерное горючее».
Ядерн
235
и искусственно получаемые изотопы плутония Pu
U
ое горючее представляет собой природный изотоп урана
239-242
. Природ-
10