Повышение материального благосостояния и культурно-бытовых условия жизни населения в значительной мере зависит от функционирования и развития городских систем энергоснабжения. Под системой энергоснабжения города понимают совокупность инженерных сооружений, энергетических установок и коммуникаций, обеспечивающих генерирование, преобразование, распределение и использование топлива и энергии потребителями, размещенными на территории города. В состав этой системы жизнеобеспечения входят подсистемы топливоснабжения, теплоснабжения и электроснабжения городов.
Выполняя функции энергообеспечения, данная система, с одной стороны, является частью энергетического хозяйства страны, а с другой, - особым видом инженерного обеспечения городов. Поэтому развитие систем энергоснабжения городов зависит как от факторов, действующих внутри топливно-энергетического комплекса страны, так и от факторов, определяющих развитие городов.
Согласно действующим нормам проектирования все вновь сооружаемые и реконструируемые здания независимо от класса и назначения должны быть оборудованы всеми видами благоустройства. В частности, они должны быть электрифицированы и газифицированы, иметь внутренний хозяйственно-питьевой водопровод и канализацию, системы отопления, вентиляции и кондиционирования, горячего водоснабжения, лифты, мусоропроводы, средства связи, радио и телевидения. Для этого необходимо создать спе-цильную инженерую инфраструктуру, способную обеспечить всеми видами топлива и энергии здания, городской транспорт, системы уличного освещения, водопровода и канализации, теплоснабжения и другие коммунально-бытовые нужды города.
В настоящее время из общего количества потребляемых в стране энергоресурсов около 20% расходуется на жилищно-коммунальные и бытовые нужды населения. С учетом внутригородского транспорта, межгородских пассажирских перевозок и рекреационной деятельности населения эта доля увеличивается до 35%. Следует отметить, что уровень энергетического обеспечения оказывает существенное влияние на затраты труда по самообслуживанию населения. По оценкам академика Л. А. Мелентьева, совершенная
система энергообеспечения может дать значительную, сопоставимую с производственной деятельностью, экономию времени. С помощью энергетики создаются условия для сокращения трудовых затрат, увеличения свободного времени, более полного удовлетворения культурных и бытовых потребностей населения. В табл. 1.1 приведены затраты времени населения на самообслуживание.
Таблица 1.1
| Затраты времени населения на | самообслуживание | |||||
| Наименование | Система энергообеспечения | |||||
| процесса | несовершенная | чел.-ч | % | совершенная | чел.-ч | % |
| Отопление | Отопитель- | 5,4 | Централизован- | _ | _ | |
| ные печи | ное теплоснаб- | |||||
| жение | ||||||
| Приготовление | Огневые пе- | 16,2 | Газовые и элек- | 16,5 | ||
| пищи | чи, керосин- | трические пли- | ||||
| ки и т. п. | ты | |||||
| Стирка | Ручная | 4,0 | Стиральные | 2,0 | ||
| машины, горя- | ||||||
| чая вода | ||||||
| Уборка поме- | Ручная | 9,3 | Электробытов ые | 6,0 | ||
| щений, мытье | приборы и горя- | |||||
| посуды и т. п. | чая вода | |||||
| Передвижения | Транспорт | 26,3 | Общественный | 16,5 | ||
| отсутствует | транспорт | |||||
| Итого | 61,5 | 41,0 | ||||
| Производст- | - | 38,5 | _ | |||
| венная деятель- | ||||||
| ность | ||||||
| Всего ' |
Из приведенных данных следует, что основными способами высвобождения времени, затрачиваемого на самообслуживание, является централизация теплоснабжения и механизация основных трудоемких бытовых процессов на основе электрификации и газификации, а также за счет развития системы городского транспорта. Поэтому энергетика жилищно-коммунального хозяйства развивает-
ся по трем главным направлениям: электрификации, газификации и централизованного теплоснабжения.
Высокий уровень обеспечения городов топливом и энергией
требует значительных единовременных затрат на создание и разви
тие энергетических систем. По оценкам специалистов, эти затраты
могут составить 25-30% общих затрат, необходимых для нового
строительства.
В общих ежегодных расходах энергетические затраты могут достигать 40-60%. Таким образом, система энергообеспечения занимает очень важное место в экономике жилищно-коммунального хозяйства города. Это требует не только рационального построения, но и эффективной эксплуатации систем энергообеспечения городов.
Для формирования рациональной системы энергоснабжения определяющее значение имеет характер городских потребителей топлива и энергии. В общегородском энергопотреблении целесообразно выделить три группы потребителей: 1) промышленность: 2) жилые и общественные здания; 3) коммунальные потребители общегородского назначения.
Процессы энергопотребления в жилищно-коммунальном хозяйстве городов в зависимости от целевого назначения классифицируются следующим образом: 1) освещение (квартир, общественных зданий, улиц, реклам и др.); 2) культурно-бытовые нужды (кино, театры, стадионы, связь, радио и телевидение); 3) силовые процессы, например, двигатели внутреннего сгорания на транспорте, электропривод бытовой техники, лифтов, вентиляторов, насосов и других установок и электропривод технологического оборудования предприятий бытового обслуживания; 4) термические процессы, потребляющие тепловую энергию различного потенциала: а) высокотемпературные, связанные с нагревом (термообработкой) и. в частности, приготовлением пищи в жилых домах и на предприятиях общественного питания; б) среднетемпературные, связанные, например, с применением пара в прачечных, химчистках и фабриках-кухнях; в) низкотемпературные, включая отопление, вентиляцию и кондиционирование, а также горячее водоснабжение жилых и общественных зданий; г) криогенные, например разделения и сжижения газов, охлаждения, замораживания идр.
В табл. 1.2 приведена примерная структура энергетического баланса жилищно-коммунального хозяйства города.
Таблица 1.2 Энергетический баланс жилищно-коммунального хозяйства города
| Структура потребления энергии, | % | |||||||
| Наименование процесса | энергоносителям | по процессам | - — | |||||
| э/э | т/э | т | всего | э/э | т/э | т | всего | |
| Освещения | - | - | - | |||||
| Силовые | - | - | - | - | ||||
| Высокотемператур- | - | - | ||||||
| ные | ||||||||
| Средне- и низкотем- | ||||||||
| пературные | ||||||||
| Итого |
Примечание, э/э -электроэнергия, т/э -теплота, т- топливо.
Из приведенных данных видно, что в энергобалансе жилищно-коммунального хозяйства ведущее место занимают низкотемпературные процессы - отопления, вентиляции и горячего водоснабжения - 75%, высокотемпературные процессы - 17%, силовые - 5% и освещения - 3% от общего потребления энергоресурсов. Электроэнергия расходуется в основном на силовые процессы - 50% и освещение - 34%. Теплота в виде пара и горячей воды идет на средне-и низкотемпературные процессы. Топливо расходуется на производство теплоты - 79% и осуществление высокотемпературных процессов - 21 %. Для освещения и силовых процессов используется исключительно электроэнергия.
Высокотемпературные процессы осуществляю гея с использованием топлива - 94% и электроэнергии - 6%. Для удовлетворения потребностей города в энергии используются: 1) топливо (уголь, газ, мазут и др.) для отопления, приготовления пищи и производства теплоты; 2) электроэнергия для освещения, культурно-бытовых, силовых и термических процессов; 3) теплота для теплоснабжения жилых и общественных зданий.
1.3. Характеристика схем энергоснабжения
В настоящее время в нашей стране в основном применяются комбинированные схемы энергоснабжения. В отличие от децентра-
лизованной, индивидуальной схемы энергоснабжения, в которой в качестве основного энергоресурса используется органическое топливо, в комбинированных схемах энергоснабжения используются несколько энергоресурсов. Реализация принципа комбинирования во многих случаях становится источником повышения эффективности энергетического хозяйства, благодаря комплексному использованию энергоресурсов.
Для энергоснабжения городов в настоящее время могут применяться следующие основные схемы.
1. Теплоэлектрическая, при которой электроэнергия использу-
ется для освещения, приготовления пищи, бытовых и силовых про
цессов, при централизованном теплоснабжении систем отопления,
вентиляции и горячего водоснабжения.
2. Частично теплоэлектрическая, которая отличается от пер
вой приготовлением пищи не на электрических, а на топливоис-
пользующих плитах (дровяных, угольных, газовых).
3. Газоэлектрическая, при которой электроэнергия подается
только для целей освещения, силовых и бытовых процессов, а при-
родный газ используется для приготовления пищи и горячей воды,
а также для отопления и вентиляции.
4. Смешанные — теилогазоэлектрические, когда электроэнер-
гия подается для целей освещения, бытовых и силовых процессов;
отопление и вентиляция осуществляются от централизованных ис
точников теплоснабжения, природный (искусственный) газ исполь
зуется для приготовления пищи, а горячее водоснабжение осущест
вляется за счет централизованных источников теплоснабжения ли
бо за счет газовых водонагревателей.
Теплогазоэлектрическая схема в настоящее время является наиболее характерной для городов Российской Федерации. При ее использовании наиболее важным следует считать вопрос о выборе источника получения теплоты низкого потенциала, в качестве которых можно использовать газовые колонки (водонагреватели), котельные установки (КУ) или теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Данную схему можно рассматривать как переходную к более совершенной тепло-электрической, при которой нужды пищеприготовления обеспечиваются электроэнергией. Такая схема становится реально осуществимой на современном этапе электрификации страны. При этом возникает проблема выбора между электроэнергией и природным газом.
Использование природного газа для приготовления пищи значительно сократило затраты времени и труда по сравнению с другими видами топлива. Однако при сжигании газа выделяются вредные продукты сгорания и ухудшается температурно-влажный режим в помещениях.
Применение в быту электроэнергии обеспечивает значительную экономию времени, снижает затраты труда, улучшает экологическую обстановку, позволяет автоматизировать процессы. Поэтому в перспективе, по-видимому, можно ожидать переход к чисто электрической схеме электроснабжения городов, предусматривающей электрификацию всех процессов.
При формировании современных систем энергообеспечения, как правило, рассматривают возможность создания раздельной или комбинированной схемы энергоснабжения. При раздельной схеме снабжение потребителей электроэнергией производится от энергосистемы, в которой основными источниками энергии являются крупные тепловые электростанции, работающие по конденсационному циклу (КЭС). При этом основным источником централизованного теплоснабжения являются станции теплоснабжения - районные или квартальные котельные установки.
При комбинированной схеме энергоснабжения в качестве источника электроэнергии и теплоты используются теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) - паротурбинные электростанции, предназначенные для совместного производства этих энергоносителей. Применение той или иной схемы энергоснабжения, как правило, дополняется специализированными системами топливоснабжения. С помощью этих систем обеспечивается подача твердых, жидких или газообразных видов топлива на электростанции, в котельные установки и жилые дома.
Передача и распределение энергии в городских системах энергообеспечения осуществляется с помощью коммуникаций: 1) электроэнергия - по воздушным и кабельным линиям электропередачи, 2) теплота в виде пара или горячей воды - по тепловым сетям, 3) природный газ - по газовым сетям. Кроме того, в системы энергообеспечения включаются внутренние коммуникации и энергоиспользующее оборудование коммунально-бытовых потребителей города.
Таким образом, выбор рациональной схемы энергоснабжения города является весьма сложной технико-экономической задачей.
Для решения этой задачи требуется глубокое изучение всех аспектов формирования и функционирования энергетического хозяйства города, включая:
• определение потребностей в различных видах энергии и то-
плива;
• формирование возможных вариантов схем энергоснабжения;
• выбор (вида и параметров) энергоносителей;
• определение типа, мощности и числа энергетических агре-
гатов;
• расчет и выбор параметров энергетических коммуникаций и
энергоиспользующего оборудования коммунально-бытовых потре-
бителей города;
• расчет капитальных и эксплуатационных затрат по сравни-
ваемым вариантам и выбор оптимальной схемы энергоснабжения.
Вопросык главе 1
1. Что понимают под энергией и энергоресурсами?
2. Что входит в топливно-энергетический комплекс страны?
3. Какое влияние оказывает энергетика на городское хозяйство?
4. Дайте характеристику основных схем энергоснабжения городов.
Глава 2 ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ
2.1. Общая характеристика системы топливоснабжения
Проблема обеспечения возрастающих потребностей в энергоресурсах является одной из самых актуальных для всех стран мира. Абсолютные масштабы использования угля, нефти, природного газа постоянно увеличиваются.
Для сопоставления различных видов топлива вводится понятие условного топлива (у. т.), при сжигании 1 кг которого выделяется 7 000 ккал теплоты, или нефтяного эквивалента (н. э.) с теплотой сгорания 10 000 ккал/кг н. э. Специалисты дают следующие оценки доказанных запасов органических топлив (млрд т у. т., в скобках дополнительные запасы): твердое топливо - 1280 (3860), нефть 138 (51), нетрадиционная нефть - 19 (434), природный газ -105 (223), уран - 37 (46). Этих запасов достаточно, чтобы обеспечить современный уровень потребления угля в течение 430 лет, нефти - 35 лет, природного газа - 50 лет. Таким образом, положение с нефтью и газом будет все более напряженным, что потребует вовлечения дополнительных, как правило, более дорогих ресурсов. Что касается твердого топлива, то его запасы достаточно велики. Вместе с тем крупномасштабное освоение угольных ресурсов является сложной задачей, решение которой требует значительных капитальных вложений в освоение месторождений, транспорт и установки потребителей, а также преодоление экологических трудностей.
Наша страна обладает уникальными запасами органического топлива, позволяющими не только удовлетворять собственные потребности, но и экспортировать его в другие страны. Крупнейшие запасы угля сосредоточены в Печорском, Кузнецком, Канско-Ачинском, Ленском, Тунгусском и Таймырском бассейнах. Так, например, общегеологические запасы Кузнецкого бассейна оцениваются в 120 млрд т, в том числе коксующихся углей - 45,6 -млрд т. По доступности для промышленного освоения (90% угля можно разрабатывать открытым способом), по высокому качеству Кузнецкий бассейн не имеет себе равных.
Нефтегазоносными провинциями России является Волго-
Уральская, Северокавказская, Тимано-Печорская, Западно- и Вос
точно-Сибирские, Дальневосточная. Потенциальные запасы только
газовых месторождений составляют 25% мировых запасов этого то-
плива. В табл. 2.1 приведена примерная оценка потенциальных и
разведанных (доказанных) природных энергетических ресурсов
страны.
Таблица 2.1 Характеристика запасов природных энергетических ресурсов
| Вид ресурса | Запасы ресурсов | ||||
| потенциальные | разведанные | ||||
| млрд т у. т. | % | млрд т у. т. | % | ||
| Уголь | 94,6 | 79,6 | |||
| Природный газ | 4,1 | 10,2 | |||
| Нефть | нет данных | ||||
| Гидроэнергия | 1,3 | 10,2 | |||
| Ядерная энергия | нет данных | ||||
| Итого | |||||
Несмотря на то, что оценка запасов всегда достаточно условна, приведенные цифры, особенно с учетом запасов нефти, урана и других источников, подтверждают вывод о том, что наша страна надежно обеспечена собственными энергетическими ресурсами.
По мере развития экономики спрос на топливно-энергетические ресурсы возрастает, что требует своевременного и опережающего развития топливоснабжающих. отраслей экономики. Динамику и уровень развития систем топливоснабжения можно проиллюстрировать данными, приведенными в табл. 2.2.
Доля топлива в общем объеме первичных энергоресурсов страны составляет 95%. В 1990 г. энергетический потенциал СССР составил около 2,3 млрд т у. т. в год. За последние 10 лет уровень производства энергоресурсов уменьшился до 1525 млрд т у. т. или в 1,5 раза.
Удовлетворение потребностей страны в различных видах топлива осуществляется специализированной системой топливоснабжения. Эта система включает в себя комплекс объектов по добыче
(производству), транспорту, переработке и хранению минерального топлива. По видам энергоресурсов, поставляемых потребителям, эти объекты объединены в три специализированные отраслевые подсистемы: газо-, нефте- и углеснабжения.
Таблица 2.2 Динамика производства энергоресурсов
| Вид pecvpca | I960 | |||||
| млн т у. т. | % | млн т у.т. | % | млн т у.т. | % | |
| Уголь | 23,2 | 18,3 | ||||
| Нефть | 42,1 | 29,5 | ||||
| Природный газ | 25,3 | 43,2 | ||||
| Гидроэнергия | 3,0 | нет данных | ||||
| Ядерная энергия | 0,1 | 1,0 | 137* | 9,0 | ||
| Прочие | 9,9 | ПО | 5,4 | нет данных | ||
| Итого |
* На уровне 1990 г.
Основными потребителями топлива в настоящее время являются промышленность - 61% от общего объема, жилищно-коммунальное хозяйство - 20%, транспорт - 12%, сельское хозяйство - 7%. Одной из главных особенностей развития топливно-энергетического комплекса следует считать рост расходов топлива на производство преобразованных видов энергии. Так, в настоящее время примерно 36% топлива используется на электростанциях, 12% - в крупных, 13% - в мелких котельных, 20% - в промышленных печах и 1 9% - в двигателях и механизмах.
В настоящее время в основном достигнут высокий уровень энергетического обеспечения населения. Абсолютный уровень душевого потребления энергоресурсов (6,3 т у. т./чел.). в Российской Федерации в 1,5-2 раза превышает достигнутый в Западной Европе, хотя и уступает во столько же раз США. Показатели выработки электроэнергии на душу населения (4,8 тыс. кВт-ч/чел.) примерно равны его значениям в странах Западной Европы, но в 2,5 раза меньше, чем в США.
