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
