Энергетика и электрогенерирующие станции

Лекции – 30 часов, лабораторные работы, кср, зачет.

Литература

1. Основы современной энергетики / Под ред. Аметистова Е. В. Т.1. Современная теплоэнергетика. М: МЭИ, 2008, 470 с.

2. Основы современной энергетики / Под ред. Аметистова Е. В. Т.2. Современная электроэнергетика. М: МЭИ, 2008, 631 с.

3. Быстрицкий Г. Ф. Основы энергетики. М.: ИНФРА-М, 2005, 277 с.

Введение

Потребление энергии является обязательным условием существования человечества.

История цивилизации – история изобретения все новых и новых методов преобразования энергии, освоения ее новых источников и, в итоге, увеличения энергопотребления.

За вторую половину ХХ столетия мировое потребление твердого топлива увеличилось в два раза, жидкого – в 8,5 раз, потребление природного газа увеличилось в 10 раз.

В современном мире энергетика является основой развития базовых отраслей промышленности, определяющих прогресс общественного производства. Во всех промышленно развитых странах темпы развития энергетики опережают темпы развития других отраслей.

Энергетика и электрогенерирующие станции

Под энергетикой понимают совокупность больших естественных и искусственных подсистем, служащих для преобразования, распределения и использования энергетических ресурсов всех видов.

Цель энергетики — обеспечение производства энергии путем преобра­зования первичной (природной) энергии (например, химической энергии, содержащейся в угле) во вторичную (например, электрическую или тепло­вую энергии). Производство энергии обычно проходит несколько стадий:

-- получение и концентрация энергетических ресурсов (например, добыча, переработка и обогащение ядерного топлива);

-- передача энергетических ресурсов к преобразующим установкам (например, доставка угля на ТЭС);

-- преобразование с помощью электростанций первичной энергии во вторичную (например, химической энергии органического топлива в электрическую и тепловую энергию);

-- передача вторичной энергии потребителям (рис. 1 – схема производства и передачи электроэнергии потребителю).

Под электроэнергетикой обычно понимают подсистему энергетики, охватывающую производство электроэнергии на электростанциях и ее доставку потребителям по линиям электропередачи. Ключевым элемен­том электроэнергетики является электростанция — преобразователь какой-либо первичной энергии в электрическую. Электрическая энергия считается основой современной цивилизации. Без нее невозможна нормальная жизнь современного общества.

Основные отличительные свойства электроэнергии: может быть легко передана на большие расстояния и с малыми потерями преобразовываться в другие виды энергии (механическую – электродвигатель, световую –лампочки, тепловую – утюг и т. д.).

Электростанции при­нято классифицировать по виду используемой первичной энергии и виду применяемых преобразователей. Такая классификация представлена на рис. 2. Как и всякая классификация, она является условной.

Электроэнергетику принято делить на традиционную и нетради­ционную.

Традиционная электроэнергетика основана на использовании энергии органических топлив (теплоэнерге­тика), энергии воды (гидроэнерге­тика) и ядерного горючего (атомная энергетика). Характерные черты тра­диционной электроэнергетики — хорошая освоенность на основе дли­тельной проверки в условиях экс­плуатации (самой «молодой» атомной энергетике всего 50 лет). Основную долю электроэнергии в мире и России получают на базе традиционных элек­тростанций, единичная мощность установок которых часто превышает 1000 МВт. Самыми «молодыми» в традиционной энергетике являются парогазовые установки (ПГУ), «воз­раст» которых чуть больше 20 лет.

Нетрадиционная электроэнерге­тика в своем большинстве также основана на традиционных принци­пах, но первичной энергией в них служат либо источники местного значения (ветровые, геотермальные, солнечные электростанции, малые гидроэлектростанции, биоэнергети­ческие установки и др.), либо источ­ники, находящиеся в стадии освоения (например, топливные элементы), либо источники будущего (термо­ядерная энергетика). Характерными признаками нетрадиционной энерге­тики являются их экологическая чис­тота, существенно большие удель­ные затраты на строительство (достаточно сказать, что для солнеч­ной ТЭС мощностью 1000 МВт тре­буется собирать солнечную энергию с площади 2x2 км) и малая единич­ная мощность.

Традиционную и нетрадиционную электроэнергетику не следует срав­нивать и противопоставлять друг другу, как это часто делается в средст­вах массовой информации. Для каждой из них имеется свое место.

В традиционной энергетике в мировом масштабе в 2000 г. преобладала теплоэнергетика: на базе нефти вырабатывалось 39 % электроэнергии, угля – 27 %, газа — 24 %, т.е. 90 % электроэнергии. На АЭС вырабаты­валось 7 %, а на ГЭС — всего 3 %. Однако при этом надо иметь в виду существенные региональные отличия, вызванные в первую очередь нали­чием соответствующих ресурсов. Например, энергетика таких стран, как Польша, ЮАР, практически целиком основана на использовании угля, а Нидерландов — газа. Очень велика доля теплоэнергетики в Китае, Авст­ралии, Мексике.

В ряде стран преобладают ГЭС. В Норвегии и Бразилии вся выработка электроэнергии происходит на ГЭС. Можно привести список из несколь­ких десятков стран, где доля выработки ГЭС превышает 70 %.

По доле АЭС в выработке электроэнергии первенствует Литва и Фран­ция (около 80 %). Преобладает она в Бельгии, Республике Корея и неко­торых других странах.

Далее речь будет идти в основном о традиционной теплоэнергетике, а точнее – об ее источниках, оборудовании и проблемах, связанных с ее функционированием.

Состояние энергетики в мире и в России.

В мире продолжается экстенсивное ведение энергетического хозяйства. Традиционная энергетика базируется на сжигании углеводородного сырья.

Россия живет за счет поставок органического топлива (угля, нефти, газа) в Европу (90 % экспорта – в государства Европы).

Замечено, что самой большой опасностью является та, которую не замеча­ем. Наше общество за бурными политическими событиями, полемикой о нало­гах и пенсиях, приватизацией и банкротствами, экономическом кризисе каза­лось, забыло о том, что составляет основу всего того, что оно так остро пережи­вает и столь живо обсуждает - о национальной энергетике.

Весь цивилизованный мир вопросами энергоэффективности и внедрению энергетики ВИЗ уделяет первостепенное внимание. Так:

• в США программа повышения энергоэффективности в экономике нахо­дится под личным контролем Президента страны;

• в Чехии государство выделяет безвозмездно до 2000 $ на каждую квар­тиру для принятия мер по снижению энергопотребления;

• в большинстве стран Европы владельцы генерирующих установок мощ­ностью до 1000 кВт и освобождаются от налога на доход сроком на 5 лет.

Нет нужды приводить подобные примеры дальше - их великое множест­во. Понятно одно - во всех развитых странах принимаются конкретные меры по повышению энергоэффективности. Энергосбережение возведено в ранг госу­дарственной политики.

В энергетике существуют четыре главные цели:

• обеспечение надежной энергетической базы для устойчивого экономи­ческого роста;

• поддержание стабильного энергообеспечения, гарантирующего энерге­тическую безопасность каждого региона;

• удовлетворение потребностей населения в энергетических услугах по ценам, исключающим массовое недовольство и социальные взрывы;

• сохранение здоровой окружающей среды.

Кратко эти цели сводятся к надежности, экономичности и экологичности.

Важнейшим компонентом энергетической безопасности региона является энергетическая независимость – способность обойтись при потере или сниже­нии внешних поставок энергии собственными ресурсами.

Существующие в настоящее время варианты прогнозов развития энер­гети­ки планеты на период до середины XXI в. и более отдаленное время сви­де­тельствуют, что рост энергетики будет происходить в любом случае, не­смотря на призывы к его ограничению, причем по экспоненциальному закону. Этот процесс определяется демографическими факторами и по­вышением уровня цивилизации. Дальние прогнозы показывают, что развитие энергетики будет ограничено рядом энергетических и экологических факто­ров. Движение впе­ред сможет быть обеспечено поиском новых способов и источников получения энергии, повышения эффективности использования всех видов энергии, разви­тием энерго- и ресурсосберегающих технологий.

Кроме потерь энергии в процессе её производства и доставки потребите­лю во всем мире существуют потери, связанные с хранением стратегических запасов топлив.

Так для решения краткосрочной энергетической безопасности развитые зарубежные страны в последние два-три десятилетия создали на своих терри­ториях как минимум 90-суточные стратегические запасы сырой нефти. Раз­мещаются они в подземных хранилищах.

США стратегический запас нефти начали создавать после потрясений ми­рового нефтяного рынка в 1970-е годы и к настоящему времени довели его до 80 млн т. Это примерно 20 % годового потребления нефти страны. И стратеги­ческий нефтяной запас, и 62 подземных резервуара, в каменной соли, в кото­рых он хранится, являются федеральной собственностью США.

В Саудовской Аравии предполагают создать стратегические запасы в объ­еме 12 млн баррелей, состоящих из хранилищ бензина, дизельного и авиаци­онного топлива. Хранилища будут представлять собой защищенные подземные емкости на глубине 200 м с системой тоннелей, коммуникаций и жизнеобеспе­чения. Общая стоимость проекта оценивается в 3 млрд $.

В 2008 г. Китай и Индия заявили о планах создания стратегических запасов нефти.

В России стратегического запаса нефти нет вовсе. Незначительные храни­лища аварийного запаса моторных топлив (в основном оборонного назначе­ния), сооруженные в 60-70 гг. XX в., почти все оказались за пределами нынеш­ней её территории. В этих условиях создание стратегического запаса нефти для современной России представляется насущной необходимостью и одной из важнейших предпосылок экономической независимости и безопасности в на­ступающем столетии.

Между тем Природа одарила Россию частью крупнейшего в мире Прикас­пийского соляно-купольного бассейна (на глубинах от 300 до 1000 м в виде со­ляных куполов мощностью более 1000 м) на территории Астраханской области -важнейшего геополитического региона, интенсивного развития нефтегазодо­бычи и нефтегазопереработки, перекрестка транспортных коммуникаций юга России. Благоприятные геологические условия большинства из более 50 распо­ложенных здесь солянокупольных структур и поднятий позволяют соорудить ме­тодом подземного растворения не менее 250 подземных хранилищ, аналогич­ных по технологии сооружения и эксплуатации, подземным хранилищам США.

В процессе разработки полостей подземных резервуаров реально осуще­ствилась бы промышленное крупномасштабное производство сотен миллионов тонн технической, кормовой и пищевой соли, реальный дефицит которой в Рос­сии в последние годы вынуждает импортировать ее из Белоруссии и Украины.

Имеют место большие затраты на перевозку топлива, что приводит к значительному удорожанию электроэнергии.

На 100 км территории РФ и США приходится соответственно 3,15 и 53 км автодорог.

По данным Дорожного департамента РФ, на 0,53 млн км автодорог имеет­ся 38675 мостов, в США на 5 млн км дорог - 575000 мостов или соответственно 0,23 и 6,1 моста на 100 км² территории.

Энергоснабжение труднодоступных регионов дорого еще и потому, что потери топлива начинаются уже при его транспортировке (при заправке авто­цистерны бензином открытой струей, его потери на 1 м³ составляют 0,3-0,4 %) Перевозка топлива в бочках увеличивает его потери в 10 раз по сравнению с потерями при перевозке в автоцистернах. Велики потери бензина и при хране­нии его в резервуарах. За год даже при исправном клапане при температуре +10°С из резервуара емкостью 50 м³ испаряется до 0,4 т бензина, а при темпе­ратуре +20°С эти потери возрастают в 5 раз. Если топливный резервуар не обеспечен клапаном, то только за летний период испаряется до 4,5 т бензина. При хранении бензина происходят не только количественные потери, но и ка­чественные, так как улетучиваются наиболее легкие фракции. Это приводит к ухудшению пуска двигателя при температуре минус 10-15°С. При хранении ди­зельного топлива количественные потери незначительны, так как дизтопливо испаряется примерно в 10 раз медленнее, чем бензин. Однако при длительном хранении дизтоплива, особенно в жаркое время года, происходит окисление нестойких продуктов термической переработки нефти, вследствие чего обра­зуются органические кислоты и смолисто-асфальтовые вещества. Топливо при­обретает желтую и даже светло-коричневую окраску. Значительное наличие смолистых веществ снижает моторесурс дизельного двигателя до 40 %, увели­чивает коррозию и нагарообразование.