Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Харитонов Енергетика-Технико-економические основы 2007

.pdf
Скачиваний:
176
Добавлен:
16.08.2013
Размер:
20 Mб
Скачать

В.В. Харитонов

Энергетика. Технико-экономические основы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТCТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

В.В. Харитонов

Энергетика. Технико-экономические основы

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений

Москва 2007

УДК 620.9 (075)

ББК 31 я7 X 20

Харитонов В.В. Энергетика. Технико-экономические основы: Учебное по-

собие. – М.: МИФИ, 2007. – 256 с. + ил. 72 с.

В книге предпринята попытка показать тесную взаимосвязь естественно-научных дисциплин с экономикой на примере наиболее наукоемкой и капиталоемкой отрасли, каковой является энергетика. Рассматриваются потребности в энергии, энергетические ресурсы, методы преобразования энергии, передача энергии на расстояние, энергетические установки. То есть представлены основные составляющие топливноэнергетического комплекса, определяющие энергетическую безопасность страны, темпы развития реального сектора экономики и тесно связанные с социальноэкономической жизнью общества. Большое внимание уделено технико-экономи- ческим вопросам ядерной энергетики. В конце каждой главы приведены контрольные вопросы и практические упражнения для закрепления знаний.

Содержание учебного пособия соответствует программе МИФИ по дисциплине СД.Ф.1 «Экономика отрасли (энергетика)», входящей в федеральный компонент ГОС ПО по специальности «Экономика и управление на предприятии (энергетики)», а также дисциплины ЕН.Р.1 «Технико-экономические основы энергетики», входящей в региональные компоненты по специальностям «Математические методы в экономике» и «Прикладная информатика в экономике».

Учебное пособие предназначено студентам Экономико-аналитического института МИФИ, а также студентам факультета «Физики и экономики высоких технологий». Оно будет полезно студентам, аспирантам и преподавателям других факультетов МИФИ, филиалов МИФИ в ЗАТО и других вузов.

Пособие подготовлено в рамках Инновационной образовательной программы.

Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. В.Д. Савандер

ISBN 978-5-7262-0874-9

Московский инженерно-физический институт

 

(государственный университет), 2007

Редакторы Н.В. Егорова, Т.В. Волвенкова

Оригинал-макет изготовлен Л.Н. Коровкиной, М.В. Макаровой

Подписано в печать 12.11.2007. Формат 60х84 1/16

Печ.л. 20,5. Уч.-изд.л. 20,5. Изд. № 1/40

Тираж 200 экз. Заказ № 0-646

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

115409, Москва, Каширское шоссе, 31

Типография издательства «Тровант»

г. Троицк Московской обл.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие .................................................................................................................

5

Глава 1. Потребности в энергии и пределы роста энергопотребления..............

7

1.1. Единицы измерения энергии и мощности ...................................................

7

1.2. Взаимосвязи энергетики с экологией и экономикой...................................

9

1.3.

Потребности в энергии ...............................................................................

14

1.4.

Топливно-энергетический комплекс ..........................................................

17

1.5.

Динамика потребления энергии..................................................................

19

1.6.

Закономерности экспоненциального роста................................................

22

1.7.

Мировые ресурсы энергии ..........................................................................

26

1.8.

Пределы роста..............................................................................................

28

1.9. Географические и климатические особенности энергетики России........

30

Упражнения и задачи к главе 1 ............................................................................

32

Список литературы к главе 1................................................................................

35

Глава 2. Энергетические ресурсы...........................................................................

37

2.1.

Гидроэнергия и гидроэлектростанции .......................................................

37

2.2. Органическое топливо и тепловые электростанции .................................

41

2.3.

Солнечная энергия.......................................................................................

57

2.4.

Ядерная энергия...........................................................................................

67

 

2.4.1. О строении ядра: нуклоны и изотопы...............................................

67

 

2.4.2. Реакция деления ядер.........................................................................

69

 

2.4.3. Ядерные (атомные) электростанции.................................................

75

 

2.4.4. Происхождение и ресурсы урана.....................................................

79

 

2.4.5. Реакции синтеза ядер.........................................................................

84

2.5. Сравнительные характеристики источников энергии...............................

89

Упражнения и задачи к главе 2 ............................................................................

92

Список литературы к главе 2................................................................................

94

Глава 3. Методы преобразования энергии............................................................

97

3.1.

Схемы преобразования энергии..................................................................

97

3.2. Законы преобразования тепла в работу......................................................

98

3.3. Термодинамический КПД цикла преобразования тепла в работу.

 

 

Цикл Карно.................................................................................................

102

3.4. Методы повышения КПД термодинамических циклов..........................

104

3.5.

Газотурбинный цикл..................................................................................

105

3.6.

Паротурбинный цикл.................................................................................

109

3.7. Минимальная стоимость и оптимальный КПД

 

 

космической энергоустановки ..................................................................

114

3.8.

Прямое преобразование энергии ..............................................................

116

Упражнения и задачи к главе 3 ..........................................................................

121

Список литературы к главе 3..............................................................................

123

 

3

 

Глава 4. Передача энергии на расстояние...........................................................

125

4.1.

Варианты передачи энергии......................................................................

125

4.2.

Линии электропередачи.............................................................................

126

4.3. Трубопроводный транспорт нефти и газа................................................

138

4.4. Транспортировка нефти и сжиженного газа танкерами .........................

152

Упражнения и задачи к главе 4 ..........................................................................

154

Список литературы к главе 4..............................................................................

155

Глава 5. Ядерная энергетика.................................................................................

157

5.1. Инженерно-физические основы ядерной энергетики.............................

157

5.2.

Конструкции ядерных реакторов..............................................................

170

 

5.2.1. Реактор ВВЭР-1000..........................................................................

170

 

5.2.2. Развитие реакторов типа ВВЭР (PWR) в мире ..............................

177

 

5.2.3. Кипящие реакторы BWR .................................................................

190

 

5.2.4. Канальные реакторы........................................................................

196

 

5.2.5. Высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы .....................

202

 

5.2.6. Реакторы-размножители на быстрых нейтронах...........................

212

5.3.

Ядерный топливный цикл .........................................................................

223

 

5.3.1. Открытый и замкнутый ядерные топливные циклы .....................

223

 

5.3.2. Топливная база ядерной энергетики...............................................

225

 

5.3.3. Обогащение урана............................................................................

228

 

5.3.4. Изготовление твэлов и ТВС ............................................................

232

 

5.3.5. Обращение с отработанным ядерным топливом...........................

234

5.4. Международная интеграция в области ядерной энергетики

 

 

и ядерного образования.............................................................................

238

 

5.4.1. Международный проект INPRO .....................................................

238

 

5.4.2. Международный проект GIF-IV .....................................................

242

 

5.4.3. Международные центры ядерного топливного цикла ..................

244

 

5.4.4. Интеграция ядерного образования .................................................

245

Упражнения и задачи к главе 5 ..........................................................................

247

Список литературы к главе 5..............................................................................

252

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Книга «Энергетика. Технико-экономические основы» написана по материалам лекций, которые автор читает более 10 лет в Эконо- мико-аналитическом институте МИФИ. Экономико-аналитический институт (ЭАИ) создан в 1996 г. как программно-целевое подразделение МИФИ. Задача ЭАИ – интегрировать усилия кафедр МИФИ для подготовки экономистов-математиков, экономистовинформатиков и экономистов-менеджеров, владеющих современными математическими методами и информационными технологиями в экономике и управлении, представляющих состояние и перспективы развития наукоемких технологий реального сектора экономики, способных решать сложные социально-экономические задачи.

Подготовка экономистов в МИФИ основана на лучших традициях школы инженерно-физического образования. Выдающиеся основатели МИФИ, осознавая «наукоемкость и капиталоемкость» ядерных технологий, с первых дней его существования заложили в программы обучения инженеров-физиков разделы, связанные с технико-экономическим обоснованием новой техники. Конечно, государственные стандарты для экономических специальностей не позволяют в полной мере реализовать подход МИФИ к глубокой естественно-научной подготовке студентов ЭАИ. Однако мы стараемся включить в учебные программы ЭАИ большой объем дисциплин, связанных с математическими и инструментальными методами экономики, а также с методами естественно-научного познания мира. Для преподавания этих дисциплин мы привлекаем высококвалифицированных ученых многих кафедр МИФИ.

Энергетика является одной из самых крупных наукоемких отраслей реального сектора экономики, на примере которой можно проследить фактически все экономические закономерности и противоречия истории. В данной книге предпринята попытка показать тесную взаимосвязь естественно-научных дисциплин с экономи-

кой и политикой на примере наиболее наукоемкой и капиталоемкой отрасли, каковой является энергетика.

Учебное пособие включает 5 глав. Рассматриваются потребности в энергии, энергетические ресурсы, методы преобразования энергии, передача энергии на расстояние, энергетические установки. То есть представлены основные составляющие топливноэнергетического комплекса, определяющие энергетическую безопасность страны, темпы развития реального сектора экономики и тесно связанные с социально-экономической жизнью общества. Большое внимание уделено технико-экономическим вопросам ядерной энергетики. Дано описание действующих и перспективных ядерных реакторов, ядерных топливных циклов и их конкурентоспособности. Показаны современные тенденции международной интеграции в области ядерной энергетики и ядерного образования.

Надеемся, что данное учебное пособие будет полезно студентам, аспирантам и преподавателям других факультетов МИФИ, филиалов МИФИ в ЗАТО и других вузов, а также молодым специалистам, работающим в отрасли. Автор будет признателен всем, кто пришлет свои замечания и предложения по содержанию книги.

Автор выражает глубокую признательность Т.В. Волвенковой, Л.Н. Коровкиной, М.В. Макаровой и Н.В. Егоровой за их огромный труд по редактированию и оформлению книги.

Директор Экономико-аналитического

 

института МИФИ, профессор,

 

доктор физико-математических наук,

 

заслуженный работник высшей школы

В.В. Харитонов

Глава 1

ПОТРЕБНОСТИ В ЭНЕРГИИ И ПРЕДЕЛЫ РОСТА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ

1.1. Единицы измерения энергии и мощности

Слово «энергия» происходит от греческого energeia – действие, деятельность. В физике энергией называют общую количественную меру различных форм движения материи. Соответственно различным формам движения материи (физическим процессам) различают энергию механическую, тепловую, электрическую, химическую, гравитационную, ядерную и т.д. Благодаря открытию в середине XIX в. закона сохранения и преобразования энергии

понятие энергии связывает воедино все явления природы. По мнению ряда специалистов в «здоровой экономике» аналогичную роль играют деньги, являющиеся мерой стоимости различных по природе и качеству товаров и услуг. Если учесть, что процессы производства материальных благ и все социально-экономические процессы развиваются в пространстве и времени (т.е. в физическом пространстве) и сопровождаются затратами вещества и энергии,

то станет понятным участие физиков и математиков в описании, анализе и прогнозировании этих процессов.

Среди различных видов (форм) энергии наиболее удобной оказалась электрическая энергия, которая легко преобразуется в свет, тепло, механическую энергию и др. Расход электроэнергии сравнительно легко и точно контролируется и измеряется. Изучению законов преобразования энергии уделяется большое внимание в физике, химии и других естественных науках. Особую роль здесь играет научная дисциплина «Термодинамика».

Для количественных расчетов необходимо принять единицу измерения энергии. В международной системе единиц СИ (System International) за единицу энергии принят джоуль (Дж). Камень мас-

сой в 2 кг, летящий со скоростью 1 м/с, имеет кинетическую энергию 1 Дж. Для расчетов, связанных с тепловой и биологической энергией, часто используют старую (внесистемную) единицу энергии калорию (кал) или килокалорию (ккал): 1 ккал = 1000 кал. Калория – это такое количество тепловой энергии, которое необходимо подвести к массе воды в 1 грамм, чтобы нагреть ее на 1 градус Цельсия (Кельвина). Джоуль и калория связаны соотношением (с точностью до 4-х значащих цифр):

1 кал = 4,187 Дж, 1 ккал = 4187 Дж = 4,187 кДж.

Для глобальных оценок используют единицу измерения энергии 1Q = 1021 Дж. Это очень большая энергия: в год население Земли потребляет около 0,3Q энергии. За все время существования человечества израсходовано около 10Q энергии. В литературе встречается также энергетическая единица эксаджоуль (ЭДж): 1 ЭДж = = 1018 Дж, 1Q = 1000 ЭДж.

Для сравнения различных видов топлива используют понятие условное топливо – это топливо с теплотворной способностью 7000 ккал/кг = 29,3 МДж/кг (МДж = Мегаджоуль = 106 Дж). То есть при сгорании 1 тонны условного топлива (ТУТ) выделяется энер-

гия 29,3 ГДж (ГДж = Гигаджоуль = 109 Дж =

1000 МДж):

1 ТУТ = 29,3 ГДж. Теплотворная способность угля,

нефти и газа

связана с теплотворной способностью условного топлива так, что выполняются приближенные соотношения:

 

Топливо

Эквивалент, ТУТ

1

т угля

0,6

1

т нефти

1,4

1000 куб.м. газа

1,15

В литературе часто используют единицу измерения объема нефти 1 баррель (буквально – бочка): 1 баррель (американский нефтяной) = 159 литров. При средней плотности нефти 900 кг/м3 один баррель нефти содержит приблизительно 0,2 ТУТ = 5,9 ГДж энергии. В связи с большой ролью нефти в мировой экономике для сравнения различных видов топлива применяется и такая единица энергии как «тонна нефтяного эквивалента» (ТНЭ, на английском

TOE – Ton Oil Equivalent): 1 ТНЭ = 1,4 ТУТ = 41 ГДж. В зарубеж-

ной литературе встречается внесистемная единица «британская

тепловая единица» (БТЕ, в оригинале BTU – British Heat Unit): 1 БТЕ = 252 кал = 1055 Дж.

В энергетике наряду с энергией наиболее важными понятиями являются теплота, работа и мощность. Теплота и работа – это две различные формы передачи энергии от одного тела к другому. Теплота и работа измеряются в тех же единицах, что и энергия. Скорость передачи (преобразования) энергии называют мощностью. Единицей измерения мощности в международной системе единиц СИ определен 1 Ватт: 1 Вт = 1 Дж/с (джоуль за секунду). Так, электрическая мощность одного блока современной атомной электростанции равна 1 ГВт = 109 Вт. Исторически одной из пер-

вых единиц

измерения энергии была лошадиная сила (л.с.):

1 кВт = 1,341

л.с. Оценивая годовой расход

условного топлива

можно приближенно считать 1 ТУТ/год ≈ 1

кВт (точнее 1 кВт =

= 1,076 ТУТ/год).

 

Электрическую энергию обычно измеряют в киловатт-часах: 1 кВт·ч = 3600 кДж = 3,6 МДж или 1 ТУТ = 8139 кВт·ч. При подведении годовых энергетических балансов иногда используют величину 1 кВт·год = 8760 кВт·ч = 31,5 ГДж = 1,08 ТУТ. Это то количество энергии, которое производится за год при непрерывной работе генератора с постоянной мощностью 1 кВт.

1.2. Взаимосвязи энергетики с экологией и экономикой

Энергетика и ВВП. Ведущая роль в развитии всех отраслей народного хозяйства, в росте благосостояния людей принадлежит энергетике. Надежность и стабильность снабжения энергией лежат в основе национальной безопасности, экономического процветания и глобальной стабильности. В табл. 1.1 приведены «энергетические профили» пяти стран мира – крупнейших потребителей энергии.

Как видно, валовой внутренний продукт (ВВП) на душу населе-

ния существенно зависит от душевого потребления энергии и, в особенности, электроэнергии. Из перечисленных стран только Россия производит энергии больше, чем потребляет (странаэкспортер). Остальные страны являются крупными импортерами энергии. Потребление энергии на душу населения иногда называют «энерговооруженностью».