Энергоресурсы и их использование

Курс «Общая энергетика» состоит из следующих модулей:

ñ Энергетические ресурсы и их использование.

ñ Тепловые и атомные электростанции.

ñ Гидроэнергетические установки.

ñ Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Энергосбережение.

Модуль включает в себя как лекционные, так и практические занятия.

 

Для подготовки к практическим занятиям и зачету можно воспользоваться следующей литературой:

ñ Основы энергетики, Быстрицкий Геннадий Федорович, 2011г.

ñ Теплотехника, Лукин В.Н., 2006г.

ñ Термодинамические основы циклов теплоэнергетических установок, Александров Алексей Александрович, 2006г.

ñ Техническая термодинамика, Шестаков И.В., 2010г.

 

Основные понятия курса.

Энергия – единая скалярная (величина, каждое значение которой может быть выражено одним действительным числом) количественная мера движения материи.

Она определяется либо при изменении физической формы движения (например, переход механического движения в тепловое), либо при перемещении объекта (перемещение – одна из форм движения) в пространстве и времени.

Потребление энергии – использование человеком (цивилизацией) внешних источников движения для удовлетворения тех или иных потребностей.

Энергетический ресурс – внешний носитель движения, энергия которого используется или может быть использована при осуществлении хозяйственной и иной деятельности, а также вид такого движения (атомная, тепловая, механическая, электрическая, химическая энергия и так далее).

Первичная энергия – та, которая может непосредственно извлекаться из природной среды (ископаемого топлива, ветра, воды, Солнца, ядерного топлива, внутреннего тепла Земли).

Вторичная энергия – та, которая получается человеком для непосредственного потребления, аккумулирования или транспортировки путем преобразования первичной энергии.

Коммерческие источники энергии – это твердые (каменный и бурый уголь, торф, горючие сланцы, битуминозные пески), жидкие (нефть и газовый конденсат), газообразные (природный газ, сланцевый газ) виды топлива и электроэнергия, произведенная на гидроэлектростанциях, атомных, ветровых, геотермальных, солнечных, приливных и волновых электростанциях.

Некоммерческие источники энергии — древесное топливо, сельскохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила рабочего скота и собственно человека.

Ресурсы органического топлива — запасы топлива, содержащиеся в земной коре, имеющие (в настоящее время или в обозримой перспективе) экономическое значение.

Доказанные (или разведанные) ресурсы — запасы, точно измеренные геологическими и техническими методами.

Извлекаемые (а также дополнительно извлекаемые) ресурсы — запасы, чьи промышленные разработки возможны при существующих (или ожидаемых) технико-экономических условиях.

Энергетическая эффективность (ФЗ №261) - характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта, применительно к продукции, технологическому процессу, юридическому лицу, индивидуальному предпринимателю.

Энергосбережение (ФЗ №261)- реализация организационных, правовых, технических, технологических, экономических и иных мер, направленных на уменьшение объема используемых энергетических ресурсов при сохранении соответствующего полезного эффекта от их использования (в том числе объема произведенной продукции, выполненных работ, оказанных услуг).

Энергетическое обследование (ФЗ №261) - сбор и обработка информации об использовании энергетических ресурсов в целях получения достоверной информации об объеме используемых энергетических ресурсов, о показателях энергетической эффективности, выявления возможностей энергосбережения и повышения энергетической эффективности с отражением полученных результатов в энергетическом паспорте.\

 

Далее рассмотрим единицы измерения энергии и мощности и связь между ними.

Единицы измерения энергии:

1 Джоуль (Дж),

1 Гигакалория (Гкал),

1 киловатт-час (кВт·ч),

1 тонна условного топлива (т у.т.),

1 тонна нефтяного эквивалента (т н.э.). Связь между единицами измерения:

1 Гкал = 4,187 ГДж = 1163 кВт·ч;

1 кВт·ч = 3600 кДж;

1 т у.т. = 29,3 ГДж = 7 Гкал;

1 т н.э. = 41,87 ГДж = 10 Гкал.

Также некоторые виды топлива измеряются в единицах массы или объема, энергетический эквивалент которых не является постоянной величиной.

Это 1 баррель нефти, 1 кубометр природного или иного газа, 1 литр бензина или дизтоплива, 1 тонна мазута, 1 тонна угля, 1 кубометр дров или отходов лесопереработки и т.д.

Энергетический запас таких видов топлива пересчитывается в основные единицы измерения, с учетом теплоты сгорания топлива.

Единицы измерения мощности:

1 Ватт (Вт),

1 лошадиная сила (л.с.),

1 гигакалория в час (Гкал/ч).

Соотношение между этими величинами:

1 л.с. = 736 Вт;

1 Гкал/ч = 1163 кВт = 1,163 МВт.

Оценить запасов источников первичной энергии довольно сложно из-за различной оценки экономической целесообразности извлечения их из недр Земли и вод Мирового океана. Надежным критерием целесообразности извлечения может быть только отношение энергоемкости извлекаемого источника энергии к количеству затрачиваемой энергии, которое должно быть больше единицы.

Как видно наибольшим потенциалом обладает термоядерная энергия, т. е. энергия получаемая в ходе реакции управляемого термоядерного синтеза (дейтерий + тритий (H²+H³)). Однако, внедрение станций используемых данный вид энергии на данный момент маловероятно.

 

Далее рассмотрим классификацию источников энергии.

Они бывают традиционными (уголь, горючие сланцы, нефть, природный и попутный газ, древесина, гидроэнергия, АЭС на тепловых нейтронах) и нетрадиционными, которые в свою очередь делятся на:

ñТопливные невозобновляемые (сланцевый газ, угольный метан, битуминозные пески, газогидраты).

ñНетопливные невозобновляемые (АЭС на быстрых нейтронах, газоохлаждаемые реакторы, ресурсы термоядерной энергетики).

ñВозобновляемые (солнце, энергия ветра, геотермальная энергия, тепловая энергия грунта, природной воды, тепловых стоков, нетрадиционная гидроэнергия, в том числе приливов, волн, океанских течений, микроГЭС).

 

Рассмотрим подробнее самый «популярный» на данный момент первичный энергоресурс — органическое топливо.

Для начала — ряд определений.

Удельной теплотой сгорания (или теплотворной способностью) топлива называется количество теплоты единицы массы или объема топлива, выделившееся при полном его сгорании. Теплоту сгорания обычно определяют на рабочую (для газа – также и на сухую) массу топлива.

Для твердого и жидкого топлива удельную теплоту определяют на 1 кг топлива, а для газообразного – на 1 кубометр, взятый при нормальных физических условиях (0°С, 760 мм рт. ст.)

Высшей теплотой сгорания называют теплоту, выделяемую при полном сгорании топлива.

Низшей теплотой сгорания называют теплоту, выделяемую при полном сгорании топлива, за вычетом теплоты, затраченной на испарение влаги, содержащейся в топливе, а также влаги, образующейся в результате окисления водорода топлива

КПД теплоиспользующих установок принято определять как отношение полезно использованной теплоты к теплоте, выделившейся при сгорании, за вычетом теплоты, которую можно было бы получить при конденсации водяных паров, находящихся в уходящих газах, то есть по отношению к низшей теплоте сгорания. Если водяной пар из уходящих газов удается сконденсировать, то КПД, определенный по низшей теплоте сгорания, может быть больше единицы (или 100%).

 

К твердому топливу относятся: антрацит, каменный и бурый уголь, торф, дрова, сланцы, отходы лесопильных заводов и деревообделочных цехов. Твердые топлива используются в основном на ТЭС для получения электрической энергии, для отопления и технологических нужд промышленности. В таблице представлены характеристики твердых топлив.

Как мы видим, большей теплотой сгорания обладают антрацит и каменный уголь.

 

К жидкому топливу относят нефть и различные продукты ее переработки: бензин, керосин, разнообразные масла и остаточный продукт нефтепереработки — мазут. До 70% и более жидких топлив используется на транспорте, около 30% сжигается на станциях в виде мазута.

Мазут — это в основном смесь тяжелых углеводородов, остаточный продукт перегонки нефти, остающийся после отделения бензина, керосина и других легких фракций. Мазут сжигают в топках энергетических котлов газомазутных энергоблоков в периоды недостатка газа (например, при сильных длительных холодах и временной нехватке природного газа, заготовленного в подземных хранилищах). Часто его используют для «подсветки» — добавки к сжигаемому твердому топливу при некоторых режимах работы для обеспечения устойчивого горения. Сжигать мазут постоянно сегодня нерентабельно из-за большой его стоимости по сравнению и с газом, и с твердыми топливами.

Мазут — достаточно вязкое топливо, и поэтому перед подачей его к форсункам котла его разогревают до 100—120 °С и распыляют в топке с помощью паровых форсунок. Мазуты делятся на малосернистые (до 0,5 % серы) и высокосернистые (2—3,5 % серы). При сжигании образующиеся оксиды попадают в атмосферу.

Сырую нефть в качестве топлива в котельных не применяют.

 

Газообразное топливо существует в нескольких формах: природный газ; попутный газ, получаемый из недр земли при добыче нефти; доменный и коксовый газы, получаемые при металлургическом производстве. На ТЭС России преимущественно используется природный газ (свыше 60 % в топливном балансе России и 70—80 % в ее европейской части). Природный газ в основном состоит из метана СН4, который при правильной организации процесса горения сжигается полностью, превращаясь в воду и двуокись углерода.

Главное преимущество природного газа состоит в его относительной экологической безопасности: при его сжигании, не возникает вредных выбросов, если не считать образования ядовитых оксидов азота, с которыми можно бороться соответствующей организацией процесса горения. Поэтому его используют для котельных и ТЭЦ крупных городов. Дополнительное преимущество — легкость транспортировки по газопроводам с помощью газовых компрессоров, устанавливаемых на газоперекачивающих станциях. Организация сжигания природного газа на электростанциях также сравнительно проста: перед подачей в топки котлов ТЭС необходимо снизить его давление до 0,2—0,3 МПа (2—3 ат) в газораспределительном пункте ТЭС или, наоборот, если давление в газовой магистрали недостаточно, повысить его давление до 2—2,5 МПа (20—25 ат) с помощью газовых компрессоров, если газ подается в камеры сгорания ГТУ.

С твердого топлива на природный газ было переведено много ТЭС, особенно в европейской части России. Основанием к тому было то, что Россия обладает 35 % мировых запасов газа. Однако «газовая пауза» закончилась, не начавшись, и сегодня идет речь об обратном переводе ТЭС с природного газа на твердое топливо и о замещении выработки электроэнергии на газомазутных ТЭС выработкой на АЭС.