Основы энергосбережения. Конспект лекций - Р. Байтасов

Гравитационная энергия – энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, «запасённая» телом, поднятым на определённую высоту над поверхностью Земли – энергия силы тяжести.

Современная наука не исключает существование и других видов энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии.

Одним из критериев оценки качества энергии принимается доля энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу.

Источники энергии имеют следующие ориентировочные значения этого критерия:

– теплота сжигаемого топлива – 30—45%;

– электроэнергия – 95% и более;

– источники механической энергии: ветровая – 30%, водных потоков рек – 60%, волновая и приливная – 65%;

– тепловые возобновляемые источники – 35%;

– фотоэлектрические преобразователи – 15%.

1.3 Способы получения тепловой и электрической энергии

Человечеству известно 16 видов энергии (табл. 1.1)

Таблица 1.1 Классификация видов энергии, охватывающая все варианты энергетических превращений в природе

Для производственной деятельности и бытовых нужд люди используют в основном только четыре вида энергии (табл. 1.2)

Таблица 1.2 Виды энергии, непосредственно необходимые для жизни и деятельности человечества

Причём наибольшая потребность существует в тепловой энергии – 75% от всех энергозатрат. Доля световой энергии и электрической в чистом виде (в электротехнологии, электротерапии, в информационных системах) составляет не более 1%. В основном электрическая энергия преобразуется в другие виды – механическую, тепловую, световую (электромагнитную).

Электроэнергия является одним из наиболее совершенных видов энергии. Её широкое использование обусловлено следующими преимуществами:

– возможность выработки в местах сосредоточения ТЭР;

– удобство транспортирования на большие расстояния;

– хорошая трансформируемость в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую, световую);

– экологичность;

– делимость;

– возможность применения новых прогрессивных технологических процессов с высокой степенью автоматизации.

К недостаткам, присущим электрической энергии, следует отнести повышенную опасность и сложность аккумулирования.

Механическая энергия получается путём преобразования электрической энергии в электрических машинах (электродвигателях) или в тепловых машинах (двигателях внутреннего сгорания, паровых турбинах), использующих химическую энергию топлива. Для получения механической энергии издавна использовались также машины и механизмы, преобразующие энергию падающей воды или ветра.

Тепловая энергия широко используется на современных производствах и в быту в виде энергии пара, горячей воды, продуктов сгорания топлива.

Электрическая и тепловая энергия производится:

– на тепловых электрических станциях (ТЭС) и теплоцентралях (ТЭЦ) на углеводородном топливе с использованием в турбинах водяного пара (паротурбинные установки – ПТУ), энергии газов, образующихся в результате горения топлива (газотурбинные установки – ГТУ), а также с комбинированным использованием тепловой и потенциальной энергии газов и пара (парогазовые установки ПГУ);

– на гидравлических электрических станциях (ГЭС), использующих энергию падающего потока воды, течения, прилива (на море);

– на атомных электрических станциях (АЭС), использующих энергию ядерного распада;

– в котельных различной мощности, вырабатывающих только тепловую энергию.

Конденсационные ТЭС производят только электроэнергию (они называются также ГРЭС – государственные районные электростанции). Теплоцентрали (ТЭЦ) – электрические станции с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии.

Упрощенная схема производства электрической энергии на ТЭС, работающей на органическом топливе, приведена на рис. 1.1.

Рис.1.1 Структурная схема ТЭС

При сгорании органического топлива, подаваемого в котёл, химическая энергия топлива преобразуется в тепловую, за счёт которой образуется пар высокого давления (10…14 МПа) с температурой свыше 500˚С. Пар поступает на паровую турбину. Турбина, представляющая собой ротационный тепловой двигатель лопаточного типа, преобразует энергию пара в механическую энергию вращения ротора турбины, которая передаётся электрогенератору, вырабатывающему электроэнергию. Отработанный в турбине пар подаётся в конденсатор, где охлаждается и конденсируется, отдавая тепло охлаждающей воде, поступающей из охладителя. В качестве охладителей используют градирни, пруды-охладители или естественные водоёмы – озёра, реки, водохранилища. Образующийся конденсат откачивается из конденсатора и подаётся обратно в котёл, где компенсирует расход воды на парообразование.

Энергетическая эффективность ТЭС, оцениваемая коэффициентом полезного действия (КПД), определяемым как отношение выработанной электроэнергии к энергии затраченного топлива, составляет 35…40%. Основные потери тепловой энергии в ТЭС – это теплота продуктов сгорания, выбрасываемая в атмосферу и теплота, выделяющаяся при конденсации отработанного пара в охладителе.

ТЭЦ вырабатывают и отпускают потребителям электроэнергию и тепловую энергию в виде пара и горячей воды для производственных нужд и коммунально-бытового потребления. При такой комбинированной выработке тепловой и электрической энергии в тепловые сети отдаётся теплота отработавшего в турбинах пара. Это обеспечивает снижение расхода топлива на 25…30% по сравнению с раздельной выработкой электроэнергии на ТЭС и теплоты в районных котельных. Общий КПД ТЭЦ составляет 60…70%. Упрощенная схема ТЭЦ приведена на рис. 1.2

Рис. 1.2 Схема ТЭЦ с производственным отбором пара и теплофикационным отбором горячей воды

Поскольку для производственных и бытовых нужд требуются пар и вода в относительно широком диапазоне температур и давлений, на ТЭЦ применяются теплофикационные турбины различных типов. На рис. Показана схема ТЭЦ с турбинами с отбором пара. В таких турбинах часть пара с достаточно высокими температурой и давлением отбирается из промежуточных ступеней и направляется на производство, откуда в котёл через питательный бак возвращается конденсат. Остальной отработанный пар с выхода турбины направляется в теплообменник, где конденсируется и также возвращается в питательный бак и в котёл. Теплота конденсации применяется для подогрева воды, используемой в системе горячего водоснабжения и отопления. На современных ТЭЦ наиболее распространены турбины с отбором пара.

В последнее время на ТЭЦ устанавливают парогазовые установки (ПГУ) с комбинированным (бинарным) циклом. Образующиеся в результате горения топлива в потоке сжатого воздуха газы направляются сначала на газовую турбину, где, расширяясь, совершают механическую работу, а затем теплота отработанных турбиной газов используется на образование пара в котле. Далее процесс протекает аналогично приведённой схемы на рис. 1.1. Совместная работа газовой и паровой турбин позволяет увеличить производство электрической энергии и повысить КПД ТЭЦ до 80% и более.

Районные котельные предназначены для централизованного теплоснабжения промышленности и жилищно-коммунального хозяйства, а также для покрытия пиковых тепловых нагрузок в теплофикационных системах. Они проще и дешевле, чем ТЭЦ той же тепловой мощности. Поэтому во многих случаях теплофикацию районов начинают со строительства районных котельных. До ввода в работу ТЭЦ эти котельные являются основным источником теплоснабжения района. После ввода ТЭЦ эти котельные используются в качестве пиковых.

Районные котельные сооружают на площадках ТЭЦ или в районах теплоснабжения. В них устанавливают водогрейные котлы (при работе на газе) или паровые котлы низкого давления – до 2,4 МПа (при работе на мазуте или твёрдом топливе).

АЭС по структуре аналогична ТЭС (см. рис.1.1). Основное отличие состоит в использовании ядерного ректора вместо котла на химическом топливе. Ядерное топливо обладает высокой теплотворной способностью – в миллион раз выше, чем органическое. В одном грамме урана содержится 2,6 х 10²¹ ядер, при делении которых может выделиться 2000 кВт-ч энергии, что эквивалентно сжиганию более 2000кг угля. В этой связи расходы на транспортировку топлива для АЭС сводятся к минимуму.