Лисиенко Ресурсы и факторы управления в енергосбережении 2011
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
РЕСУРСЫ И ФАКТОРЫ УПРАВЛЕНИЯ
ВЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИИ
ИЭКОЛОГИИ
Под редакцией В.Г. Лисиенко
Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений
Москва 2011
УДК 620193 ББК 31.19 Л63
Ресурсы и факторы управления в энергосбережении и экологии.
Учебное пособие / В.Г. Лисиенко, Я.М. Щелоков, А.В. Лаптева, П.А. Дюгай/ Под ред. В.Г. Лисиенко. – М.: НИЯУ МИФИ, 2011. – 200 с.
Рассмотрены основные проблемы в энергосбережении и экологии в их тесной связи. Приведены основные характеристики применяемых топлив
иэнерготехнологических агрегатов. Рассмотрены математические модели
имодели управления при образовании и эмиссии вредных и парниковых газов и методы оценки экологического ущерба. Приведены модели определения эффективностей (КПД) энерготехнологических процессов и рассмотрены основные факторы управляющих воздействий, в том числе при энергетических и энерготехнологических процессах.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 220200 «Автоматизация и управление» и 230100 «Информатика и вычислительная техника».
Пособие подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.
Рецензент: Г.М. Дружинин, доктор техн. наук, директор по науке и технике ОАО «ВНИИМТ»
ISBN 978-5-7262-1398-9 © Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2011
Содержание |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................................ |
5 |
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ И СВЯЗЬ ПРОБЛЕМ |
|
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭКОЛОГИИ |
|
1.1. Взаимосвязь энергетических и экологических проблем ................................ |
6 |
1.2. Некоторые физические законы и закономерности и принципы |
|
энергосбережения ............................................................................................. |
9 |
1.3. О мировой практике рыночно-директивных отношений в энергетике......... |
14 |
1.4. Законодательная база .................................................................................... |
17 |
1.5. Загрязнения окружающей среды ................................................................... |
21 |
1.6. Киотский протокол .......................................................................................... |
24 |
Библиографический список к главе 1 ................................................................... |
25 |
Контрольные вопросы к главе 1 ........................................................................... |
25 |
Глава 2. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ И СТРУКТУРА |
|
ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА В МИРЕ И РОССИИ |
|
2.1. Цели и приоритеты энергетической стратегии России ............................... |
26 |
2.2. Топливно-энергетические ресурсы ............................................................... |
28 |
2.3. Структура топливно-энергетического комплекса ......................................... |
31 |
2.4. Оценка ситуации по добыче и использованию нефти, |
|
газа и других источников энергии. Рост энергопотребления ...................... |
34 |
2.5. Проблемы и основные факторы развития |
|
топливно-энергетического комплекса ........................................................... |
47 |
Библиографический список к главе 2 ................................................................... |
51 |
Контрольные вопросы к главе 2 ........................................................................... |
51 |
Глава 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВ И ПОКАЗАТЕЛИ ТЕПЛОВОЙ |
|
РАБОТЫ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ |
|
3.1. Теплота сгорания топлив ............................................................................... |
52 |
3.2. Определение расхода окислителя и выхода продуктов сгорания ............. |
54 |
3.3. Балансовая температура горения ................................................................. |
57 |
3.4. Химический недожог топлива ........................................................................ |
58 |
3.5. Тепловая мощность и удельный расход топлива ........................................ |
59 |
Библиографический список к главе 3 ................................................................... |
61 |
Контрольные вопросы к главе 3 ........................................................................... |
61 |
Глава 4. ОБЩИЕ, ВРЕДНЫЕ И ПАРНИКОВЫЕ ВЫБРОСЫ В АТМОСФЕРУ |
|
4.1. Расчет эмиссии общих, вредных и парниковых выбросов .......................... |
62 |
4.2. Экономический ущерб от вредных выбросов ............................................... |
63 |
4.3. Предельно допустимые концентрации (ПДК) |
|
и коэффициент агрессивности вредных веществ ........................................ |
64 |
Библиографический список к главе 4 ................................................................... |
67 |
Контрольные вопросы к главе 4 ........................................................................... |
67 |
Глава 5. ПРИМЕРЫ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И УСЛОВИЙ |
|
ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ |
|
5.1. Методы борьбы с вредными выбросами |
|
и роль математических моделей .................................................................... |
68 |
5.2. Примеры математических моделей эмиссии оксидов азота ....................... |
69 |
5.3. Основные факторы, определяющие эмиссию оксидов азота, |
|
и мероприятия по снижению эмиссии ............................................................ |
82 |
5.4. Модельные представления и основные факторы, влияющие |
|
на эмиссию оксида углерода .......................................................................... |
95 |
3
Библиографический список к главе 5 ................................................................. |
105 |
Контрольные вопросы к главе 5 ......................................................................... |
106 |
Глава 6. МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ЭКОНОМИЧЕСКОГО УЩЕРБА |
|
ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, |
|
ВТОМ ЧИСЛЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ РИСКА
6.1.Понятие экономического и эколого-экономического ущерба и
экологический риск ....................................................................................... |
107 |
6.2. Методики оценки эколого-экономического ущерба и методика риска ..... |
125 |
6.3. Медико-инженерная методика оценки риска .............................................. |
131 |
6.4. Алгоритм оценки экономического ущерба от загрязнения окружающей |
|
среды с учетом риска для здоровья населения ......................................... |
135 |
6.5.Программный модуль сравнительной оценки экономического ущерба от загрязнений окружающей среды
с учетом риска для здоровья населения .................................................... |
138 |
Библиографический список к главе 6 ................................................................. |
141 |
Контрольные вопросы к главе 6 ......................................................................... |
141 |
Глава 7. ЭФФЕКТИВНОСТЬ (КПД) ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ |
|
И ИХ РОЛЬ В ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИИ |
|
7.1. Структурная схема триадной тепломассообменной системы .................. |
142 |
7.2. Понятие о тепловой эффективности (тепловой КПД) ............................... |
144 |
7.3. Роль регенерации теплоты 1 ........................................................................ |
146 |
7.4. Схемы теплообмена ..................................................................................... |
148 |
7.5. Теплообменный КПД 1 .................................................................................. |
149 |
7.6. Анализ факторов, влияющих на теплообменный КПД (на примере |
|
противотока) .................................................................................................. |
151 |
7.7. Режим тепломассообменного управления (ТМОУ) |
|
(режим автогенерации) ................................................................................. |
154 |
7.8. Базовая модель управления процессами энергосбережения |
|
и снижения эмиссии вредных выбросов ....................................................... |
158 |
Библиографический список к главе 7 ................................................................. |
163 |
Контрольные вопросы к главе 7 ......................................................................... |
163 |
Глава 8. СКВОЗНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ |
|
И ЭНЕРГО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ |
|
8.1. Сквозной энерго-экологический анализ (СЭЭА) ........................................ |
164 |
8.2. Структурированная методика СЭЭА ........................................................... |
167 |
8.3. Диссипативная методика СЭЭА ................................................................. |
180 |
Библиографический список к главе 8 ................................................................. |
185 |
Контрольные вопросы к главе 8 ........................................................................ |
186 |
Глава 9. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ |
|
ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ |
|
9.1. Проблемы использования финансовых измерителей ................................ |
187 |
9.2. Региональная экономика .............................................................................. |
191 |
Библиографический список к главе 8 ................................................................. |
195 |
Контрольные вопросы к главе 8 ........................................................................ |
196 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................... |
197 |
Список рекомендуемых лабораторных работ ........................................................ |
199 |
Библиографический список к рекомендуемым лабораторным |
|
работам (методические указания) ....................................................................... |
199 |
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие «Ресурсы и факторы управления в энергосбережении
иэкологии» направлено на развитие проблем, связанных с управлением и информатикой в приложении к таким важнейшим аспектам человеческой деятельности как энергосбережение и защита окружающей среды. При этом учитывается специфика направлений подготовки в области информатики и управления, а именно направления 220200 «Автоматизация и управление» и направления 230100 «Информатика и вычислительная техника».
Важнейшей особенностью данного учебного пособия является рассмотрение энергетических проблем энергосбережения в тесной связи с экологическими проблемами защиты окружающей среды. Это положение подкрепляется тем обстоятельством, что наиболее значительная часть вредных и особенно парниковых выбросов связана именно с энергетикой
иэнерготехнологиями.
Взадачу учебного пособия входят:
1.Изучение проблем энергоэффективности и энергосбережения в мире
ив России.
2.Изучение проблем экологии, защиты окружающей среды и эколо-
гии.
3.Рассмотрение основных факторов информатики и управления в энергосбережении.
4.Ознакомление с компьютерными технологиями в энергосбережении
иэкологии, включая интегрированный энергоэкологический анализ, ме- дико-инженерный метод оценки ущерба от вредных выбросов.
5.Представление о технических средствах энергоаудита и экологического мониторинга.
Основной задачей можно считать подготовку к самостоятельному анализу основных методов и средств, применяемых при управлении энерготехнологическими процессами, которые должны приводить к сокращению энергопотерь и вредных выбросов. При этом основным объектом рассмотрения в данном учебном пособии являются энерготехнологии, в которых заложен основной потенциал энергосбережения и которые осуществляют большую часть эмиссии вредных веществ и парниковых газов.
5
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ И СВЯЗЬ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭКОЛОГИИ
1.1. Взаимосвязь энергетических и экологических проблем
На современном уровне важной основой рационального технологического использования топлива и других энергетических ресурсов является использование методов, связанных с энергетическим и энергоэкологическим анализом.
В.Г. Лисиенко была разработана теория интегрированного энергетического анализа, которая является обобщением результатов, полученных в теории, касающейся области энерготехнологических процессов.
Предложено развивать данную теорию в дуальной постановке, которая включает в себя: полный (сквозной) энергетический анализ
иэнергоэкологический анализ и тепломассообменный анализ. В рамках энергетического анализа при этом определяется важнейший комплексный показатель производства продукции – его конечная энергоемкость, т.е. полные затраты энергии, включая первичную энергию, производную энергию всех энергоносителей, и скрытую энергию за вычетом используемых вторичных энергоресурсов и энергоемкости используемых побочных продуктов.
Тепломассообменный анализ включает математическую модель процесса и проведение на его основе процедуры математического моделирования, которое в современном представлении можно представить как имитационный энергоаудит. Его основной целью является выбор оптимальных вариантов конструкции или тепловых режимов энерготехнологических агрегатов и определение эффективностей процессов, необходимых для проведения энергетического анализа. Главное назначение теплообменного анализа и имитационного энергоаудита – анализ вариантов конструкции, тепловых
итехнологических режимов работы энерготехнологических объектов с целью выявления резервов энергосбережения, оптимизации режимов и снижения энергоемкости продукции и эмиссии вредных выбросов, решения задач управления (рис. 1.1).
6
Рис. 1.1. Схема интегрированного энергетического анализа в дуальной постановке
Ограниченность ископаемых источников энергии, экономические и экологическое соображения делают энергосберегающую политику одним из главных факторов технического прогресса. Стратегия экономии энергии представляет собой иерархическую систему с несколькими уровнями приоритета по применению:
1)развитие альтернативной энергетики;
2)внедрения безотходных технологий;
3)оптимизации технологического процесса;
4)регенерации теплоты газов;
5)технологической утилизации энергии;
6)утилизации теплоты.
Экологизация технологий – это разработка и внедрение в производство, жилищно-коммунальное хозяйство, повседневную жизнь людей технологий, которые при максимальном получении высокого качества продукции обеспечивают сохранение экологического равновесия в окружающей среде, не допускали загрязнения среды обитания. С другой стороны, Экологизация технологий – экономное расходование сырья и топлива, комплексное использование природных ресурсов, в том числе и энергоресурсов, создание новых технологических систем, обеспечивающих малоотходное и безотходное производство, замкнутые циклы водоворота, утилизацию отходов.
7
Приоритетным направлением в охране природы должны быть разработки новых безотходных технологий, которые не нуждаются в использовании очистных приспособлений. Снижение количества отходов в источнике их образования является одним из инструментов по решению проблем загрязнений.
Согласно основным принципам ресурсо-экологической концепции социально-экономического развития, любое действие, вызывающее снижение потребления ресурсов, в том числе и энергоресурсов, оказывает благоприятное воздействие на состояние окружающей среды.
Согласно критериям модели устойчивого экологически безопасного промышленного развития1 необходима оптимизация использования ресурсов – это, прежде всего, снижение энергопотребления, расхода материалов, выхода отходов и повышение степени их переработки.
Таким образом, вопросы энергосбережения неразрывно связаны с безотходностью и экологичностью производства, кроме того, загрязнение является симптомом неблагополучия в промышленном производстве. Если рассматривать загрязнение как вид издержек, у промышленных предприятий может появиться стимул вкладывать средства в снижение себестоимости товаров путем повышения эффективности производства и тем самым снижения уровней загрязнений и объемов отходов.
Рассмотрим некоторые термины и определения, используемые при решении задач энергосбережения и защиты окружающей среды.
Энергосбережение – это процесс реализации правовых, организационных, научных, производственных, технических, экономических и информационных мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии.
Энерготехнологии – технологические процессы, в которых существенную роль играет уровень потребления энергетических ресурсов.
1 Есоlоgiсаlly Sustainable Industrial Developement (ESID).
8
Энергосберегающая технология – новый или усовершенство-
ванный технологический процесс, характеризующийся более высоким коэффициентом полезного использования топливно-энерге- тических ресурсов (ТЭР).
Энергоемкость – это показатель, характеризующий количество энергии, затраченной на единицу выпуска продукции или выполненных работ (оказанных услуг), кДж/ед. прод.
Полная энергоемкость продукции – величина расхода энергии и (или) топлива на изготовление продукции, включая расход на добычу, транспортирование, переработку полезных ископаемых и производство сырья, материалов, деталей с учетом коэффициента использования сырья и материалов.
Энергоемкость производства продукции – величина потребле-
ния энергии и (или) топлива на основные и вспомогательные технологические процессы изготовления продукции, выполнение работ, оказание услуг на базе заданной технологической схемы.
При производстве любого вида продукции расходуется ТЭР, и для каждого из видов продукции существует соответствующая энергоемкость технологических процессов их производства.
Энерготехнологические агрегаты – агрегаты, связанные с ис-
пользованием энергетических ресурсов: промышленные или тепловые установки и т.д.
Энергетические агрегаты – агрегаты, связанные с производством энергетических ресурсов: парагенераторы, турбины, газотурбинные двигатели и т.д.
1.2.Некоторые физические законы и закономерности
ипринципы энергосбережения
Рассмотрим ряд физических законов и закономерностей, определяющие в той или иной степени теоретический базис энергоэффективности и энергосбережения.
Первое начало термодинамики является по существу законом сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам:
Q = U + A, |
(1.1) |
9
где Q – сообщаемое термодинамической системе (например, пару в тепловой машине) количество теплоты; А – совершаемая ею работа; ∆U – изменение её внутренней энергии.
Второе начало термодинамики – закон возрастания энтропии.
Закон возрастания энтропии называют также законом сни-
жения качества энергии, согласно которому мы не можем восстановить или повторно использовать высококачественную энергию для выполнения полезной работы. Будучи раз использованной, сконцентрированная, высококачественная энергия, рассеивается в окружающей среде в виде низкопотенциального тепла. Однако мы можем как-то повлиять на изменение коэффициента полезного действия данного процесса.
Следовательно, с каждой новой энергетической эпохой развития общества человечество обязано не только механически увеличивать потребление энергии, но и сводить к минимуму то количество энтропии, которое производим мы сами.
Третье начало термодинамики (теорема Нернста), устанавли-
вает, что энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменной. Макс Планк дополнил теорему Нернста гипотезой, что энтропия всех тел при абсолютном нуле температуры равна нулю. Из третьего начала термодинамики вытекают важные следствия о свойствах веществ, вблизи абсолютного нуля. Так, обращаются в нуль: удельные теплоемкости при постоянном объеме (Cv) и при постоянном давлении (Ср), термический коэффициент расширения и давления. Отсюда также следует недостижимость абсолютного нуля температуры при конечной последовательности термодинамических процессов.
Закон максимизации энергии: в соперничестве с другими системами выживает (сохраняется) та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное ее количество наиболее эффективным образом. «С этой целью система:
1)создает накопители (хранилища) высококачественной энер-
гии;
2)затрачивает часть накопленной энергии на обеспечение по-
ступления новой энергии;
10