НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра «Электроснабжения промышленных предприятий»
И.В. Казанина
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Учебное пособие
Алматы 2011
УДК 658.26.(075.8)
ББК 31.19я73
М90 Энергосбережение
Учебное пособие/ И.В.Казанина
АУЭС. Алматы, 2010. – 80 с.
ISBN 9965-850-31-3
Энергосбережение - новая учебная дисциплина в практике отечественного образования, определяющая комплекс правовых, организационных, научных, производственных, технических, информационных и экономических мер, реализация которых направлена на эффективное использование энергетических ресурсов и вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии.
На основе обобщения работ отечественных и зарубежных ученых и специалистов в учебном пособии изложены основные положения энергосбережения как учебной дисциплины.
Учебное пособие предназначено для студентов обучающимся по специальностям 5В071800 - «Электроэнергетика».
Ил. 23, табл. 11, библиограф. - 17 назв.
ББК 31.19я73
РЕЦЕНЗЕНТЫ: КазАТК, канд.техн. наук, доц. С.В. Кельбасс АУЭС, доцент Башкиров М.В.
Печатается по плану издания Министерства образования и науки Республики Казахстан на 2010 год
ISBN 9965-850-31-3
© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011 г.
Содержание
|
Введение |
4 |
Глава 1 |
Энергия и ее виды |
5 |
Глава 2 |
Состояние и направление развития энергетики мира |
10 |
Глава 3 |
Развитие энергетики в республике Казахстан |
20 |
Глава 4 |
Экономические и экологические аспекты энергосбережения |
27 |
Глава 5 |
Способы и методы энергосбережения |
31 |
Глава 6 |
Энергосбережение при добыче топливно-энергетических ресурсов |
39 |
Глава 7 |
Энергосбережение при сжигании топлива |
50 |
Глава 8 |
Энергосбережение при производстве, передачи и потреблении электроэнергии |
66 |
|
Заключение |
78 |
|
Список литературы |
79 |
Введение
Использование энергии облегчает труд человека и улучшает условия его жизни. Энергию используют для обогрева и охлаждения, освещения, в здравоохранении, для приготовления пищи, в области образования, промышленного производства и на транспорте. Развитие человеческого общества и его успехи на пути цивилизации и прогресса непосредственно связаны с повышением производительности труда и улучшением материальных условий жизни людей. Построение высоко развитого общества, в котором широко будут использоваться совершенные, автоматически управляемые машины, заменяющие физически и нетворческий умственный труд, возможно только при еще более значительном увеличении потребляемой энергии и роста производительности труда.
Необходимое условие научно-технического и социального прогресса состоит в увеличении количества потребляемой энергии и освоении новых, более эффективных ее видов.
Количество потребляемой современными машинами энергии очень велико. Представление об этом количестве может дать следующее образное сравнение: все работоспособное население мира, работая с полным напряжением физических сил по 8 ч в сутки, не смогло бы за год выработать одной сотой энергии, получаемой сейчас за счет сжигания топлива и энергии рек. Современные энергетические системы находятся в тесной взаимосвязи с многогранными аспектами всей деятельности человека. Они прямо влияют на самые различные отрасли народного хозяйства (промышленность, транспорт, сельское хозяйство), на экономику, социальные условия. Именно поэтому энергетические системы и следует рассматривать как подсистемы единой глобальной системы функционирования человеческого общества.
В настоящее время совершенно очевидно, что существующие подходы в области энергетики являются неустойчивыми. В то же время общепризнанно, что без соответствующих услуг в области энергетики истинный процесс развития не представляется возможным. Решением этой проблемы состоит отнюдь не в том, чтобы просто увеличит объемы энергии, получаемых из традиционных источников. Опыт показал, что такая стратегия обречена на провал как с точки зрения финансовых последствий, так и экологических проблем. Необходимо осуществить коренную переориентацию в подходе к энергетике и услугам в этой области.
Внедрение энергосберегающих технологий, процессов, аппаратов и оборудования в наиболее энергоемких отраслях позволяет снизить потребность в энергоресурсах на 25-30%. Реализация этих возможностей связана, как правило, с определенными финансовыми и материальными затратами. Однако эти затраты в 2-4 раза ниже затрат, необходимых для эквивалентного повышения добычи и производства топлива и энергии. Кроме того, энергосберегающие технологии являются экологически чистыми и не требуют дополнительных затрат на решение социальных проблем.
Глава 1. Энергия и ее виды
Для изучения энергосбережения необходимо, прежде всего, понять, что такое энергия. Энергия – количественная оценка различных форм движения материи, которые могут превращаться друг в друга [1]
В свою очередь материя может существовать в виде двух субстанций: имеющую массу и не имеющую массы. Это подтверждается законом Эйнштейна
. (1.1)
Поскольку с » 2.9979-108 м/с – скорость света величина постоянная, то материя может существовать либо в виде энергии (электромагнитной волны), либо в виде массы (атом вещества). Принятие в качестве массы атома вещества можно обосновать тем, что он состоит из частиц (электрона, протона и нейтрона), представляющих собой одновременно и массу, и волну (хорошо известен корпуско-волновой дуализм электрона). Именно атомы, отличающиеся друг от друга количеством одинаковых частиц, определяют свойства (характеристики) того или иного вещества. Кроме того, М.В. Ломоносов и А. Л. Лавуазье, авторы закона сохранения материи, за массу вещества брали массу атомов.
Переход одного вида материи в другой подтверждается аннигиляцией, происходящей при столкновении электрона с позитроном, происходит уничтожение этих частиц и порождение двух γ-квантов с энергией 0,51 МэВ каждый, что в точности равно энергии покоя электрона и позитрона (m0c2).
Если полностью преобразовать в энергию массу в 1 кг, то можно получить 25 ТВт/ч энергии. В этой связи заслуживает внимания гипотеза «черных дыр», поглощающих всемирную энергию, и при достижении критической величины (аналогично атомной бомбе) происходит взрыв, в процессе которого энергия преобразуется в массу и создается система, подобная солнечной.
Количественная характеристика некоторых природных процессов и человеческой деятельности представлены на рисунке 1.1.
Вероятно, атомы образовались в процессе взрыва новой звезды и создания солнечной системы. При этом каждый атом обладает внутренней энергией, величина которой определяется энергией находящейся внутри ядра и суммарной кинетической энергией электронов, вращающихся вокруг ядра, и зависящей от удаленности орбиты электрона.
Планетарную модель строение атома, изображенную на рисунке 1.2, подобную строению солнечной системы, предложил Н. Бор.
Изменить внутреннюю энергию атома можно за счет ударов II рода (аналог нокдауна в боксе), при таких ударах валентный электрон атома переходит на более удаленную орбиту. Атом в таком состоянии имеет более высокую внутреннюю энергию, а само состояние называется возбужденным.
Рисунок 1.1 - Количественная характеристика природных процессов и человеческой деятельности
Рисунок 1.2 - Планетарная модель строение атома
Время нахождения атома в возбужденном состоянии составляет 10-8 с (боксера - 8с), через этот период атом возвращаете в нормальное состояние (боксер тоже), а избыточная внутренняя энергия превращается в электромагнитную волну и излучается в виде кванта (фотона) с энергией
Е=һν (1.2)
где h = 6.626´10-34 Дж´с - постоянная Планка;
n- частота излучения, Гц.
Частота (длина) волны и соответственно энергия кванта зависят от уровня орбиты, с которой электрон возвращается на стационарную орбиту.
В вакууме фотоны движутся со скоростью с0 » 2.9979-108 м/с (скорость света). Корпускулярные свойства фотона определяются его массой
mф = e/с0. (1.3)
и импульсом
Рф= hn/c. (1.4)
Фотон движется со скоростью c0 - максимальной скоростью, с которой может двигаться элементарная частица материи; следовательно, его масса покоя равна нулю.
Волновые свойства фотона описываются частотой и длиной волны. Длина волны фотона вакууме
l= с0/n. (1.5)
Генераторами излучения могут быть движущиеся молекулы, атомы вещества, ионы и электроны при торможении. Такое излучение называется тормозным.
В целом шкала электромагнитного излучения представлена на рисунке 1.3.
Рисунок 1.3 - Шкала электромагнитного излучения
Ударить по атому фотоном, электроном, ионом или другими атомами можно так (удар III рода), что электрон покинет атом (в боксе нокаут). Оставшаяся часть атома с положительным зарядом называется ионом, а газ с появившимися в нем заряженными частицами – плазмой. При соединении (рекомбинации) иона и электрона вновь образуется атом и выделяется избыточная энергия в виде фотонов или тепла.
Неподвижный атом обладает внутренней энергией, и если его ударить таким образом (удар I рода, в боксе толчек), что его внутренняя энергия не изменится, а он начнет двигаться со скоростью v, то у атома в дополнение к внутренней энергии появится внешняя кинетическая энергия
. (1.5)
где: m – масса атома,г;
v – скорость его движения, м/с;
k – постоянная Больцмана;
T – температура, К.
В соответствии с уравнением, внешняя кинетическая энергия атома (молекулы) как целого является его тепловой энергией - Q и характеризуется температурой - T. Тепловая энергия тела или системы, состоящей из нескольких атомов, равна их суммарной кинетической энергии и характеризуется интегральной температурой тела (системы). При температуре, близкой к абсолютному нулю, когда внешняя кинетическая энергия (тепловая) атомов отсутствует, проводники становятся сверхпроводниками. Температура абсолютного нуля (T = 0К = - 273С) характеризует отсутствие движения и недостижима, так как кинетическая энергия электронов внутри атома станет равной нулю, и они упадут на ядро, при этом произойдет аннигиляция вещества.
Таким образом, тепловая энергия - это кинетическая энергия тела или системы. При этом, если твердое тело (например, шарик) неподвижно, то содержащаяся в нем тепловая энергия определяется кинетической энергией колебания атомов и характеризуется температурой шарика (хотя в нем имеется и внутренняя энергия атомов). Если шарик начать двигать, то к уже имеющейся внутри его энергии добавляется внешняя кинетическая энергия, которая тоже является тепловой и тоже может быть характеризована температурой, но уже шарика как целого тела.
Условно энергию можно разделить на различные виды: механическую, акустическую, химическую, электрическую и др. Фактически все энергетические процессы сопровождаются выделением или поглощением тепла. Например, механическая энергия движения шарика по горизонтальной поверхности из-за трения полностью переходит в тепло. Энергия звуковых колебаний, или акустическая энергия, в помещении также переходит в тепло в результате трения в газе и поглощения звука стенами.
Например, в процессе химической реакции, внутренняя энергия
(1.6)
молекулы углекислого газа будут меньше суммарной внутренней энергии атома углерода и молекулы кислорода на величину выделившегося тепла Q, которое состоит из кинетической энергии движения молекулы СО2 и лучистой энергии в виде квантов. Такая химическая реакция с выделением тепла называется экзотермической.
Естественный радиоактивный распад ядер урана сопровождается превращением их внутренней энергии в кинетическую энергию движения частиц (тепло) и излучения γ - квантов.
Основная доля энергии звезд и Солнца, как удалось доказать Гансу Бете в 1939 году, выделяется при синтезе легких элементов. На рисунке 1.4 показана схема реакции синтеза изотопов водорода, происходящая при температуре не меньше 100 млн. 0С и не больше 1млрд. 0С.
Рисунок 1.4 - Схема реакции синтеза изотопов водорода
Практически все явления (электрические, магнитные, механические и др.) сопровождаются тепловыми процессами. Энергия замкнутой системы все в большей мере переходит в тепло, температура системы повышается, и через бесконечно большое время все процессы в замкнутой системе должны прекратиться, так как вся энергия замкнутой системы превратиться в тепло. Реальные системы в природе не замкнуты, они обмениваются энергией с другими системами, и поэтому все процессы прекратиться не могут и «тепловая смерть» не наступит.
Фактически все энергетические системы, в которых используются различные производственные процессы (например, сжигание органического топлива на тепловых станциях, передача электрической энергии по проводам и т.д.), взаимодействуют с окружающей средой. Окружающая среда содержит неограниченное количество тепла, однако, его качество, определяемое практической пригодностью, в соответствии со вторым законом термодинамики равно нулю. Качество различных видов энергии оценивается эксэргией – максимальной способностью материи к совершению работы в таком процессе, конечное состояние которого определяется условиями термодинамического равновесия с окружающей средой. Чем ближе температура рабочего тела к температуре окружающей среды, тем ниже практическая пригодность его тепловой энергии. Для оценки практической пригодности энергии, содержащейся в материи, важно знать не только количество эксэргии, но и ее концентрацию, т.е отношение эксэргии к объему термодинамического агента.
Таким образом, при рассмотрении вопросов энергосбережения важно знать физику преобразования одной энергии в другую, концентрацию эксэргии и взаимодействие производственного процесса с окружающей средой.
Глава 2. Состояние и направление развития энергетики мира
Основная энергия, используемая на Земле, поступает от солнца. Общая мощность солнечной радиации, перехватываемая нашей планетой, составляет 1,7·1014 кВт. Это колоссальная мощность примерно в 500 раз превышает предельные и вряд ли достижимые потребности человеческой цивилизации, которые по оценке Римского клуба, могут составить 3·1011 кВт. Если оценить всю солнечную энергию, которую наша планета получает за один год, то она составит 1018 кВт·ч, что примерно в 10 раз больше энергии всех разведанных и неразведанных ископаемых топлив, включая и расщепляющиеся вещества. Из общего количества поступающей на Землю солнечной радиации, около 30% немедленно отражается в космос в виде коротковолнового излучения, 47% адсорбируется атмосферой, поверхностью планеты (сушей и океаном) и превращается в тепло, которое большей частью рассеивается в космос в виде инфракрасного излучения, другие 23% вовлекаются в процессы испарения, конвекцию, осадки и кругооборот воды в природе. Небольшая часть, около 0,2%, идет на образование потоков в океане и атмосфере, включая океанские волны. И только 0,02% захватывается хлорофиллом зеленых растений и поддерживает жизнь на нашей планете. Малая доля от этих 0,02% обеспечила миллионы лет назад накопление на Земле запасов ископаемого топлива.
В период 1990-х годов ООН провела серию крупных конференций по глобальным проблемам, включая: конференцию по окружающей среде и развитию (ЮНСЕД) в 1992 году в Рио-де-Жанейро, конференцию по правам человека в Вене в 1993 году, конференцию по народонаселению и развитию в Каире в 1994 году, глобальную конференцию по устойчивому развитию малых островных развивающихся стран, всемирную встречу на высшем уровне в интересах социального развития в Копенгагене в 1995 году, четвертую всемирную конференцию по положению женщин в Пекине в 1995 году.
Основная идея, которая вытекает из материалов этих конференций, в отношении энергетики состоит в том, что нужен новый подход для удовлетворения общественных целей, согласованных на уровне сообщества наций. [2]. Новый подход должен помочь «организациям и программам системы ООН принять необходимые меры по эффективной последующей реализации декларации по окружающей среде и развитию «Повестки дня на 21 век»», а состоит он из следующих аспектов:
Инвестиционные потребности энергетики: по имеющимся прогнозам предполагается, что к 2020 году современный мировой уровень инвестирования в сектор энергопроизводства, который составляет 450 миллиардов долларов США в год, повысится до, возможно,750 миллиардов в год, из которых почти половина будет приходиться на долю производства электроэнергии. Поддержать такой уровень инвестирования, исходя из традиционных источников финансирования энергетики, не представляется возможным.
Назначение за электричество цены, не покрывающей себестоимости, означает, что рентабельность коммунальных услуг является минимальной или вообще нулевой. Их неустойчивое финансовое состояние приводит к тому, что их кредитный рейтинг на международных коммерческих рынках капитала падает. Вследствие этого необходимо увеличить объемы как внешнего финансирования из частных источников, так и внутреннего финансирования. В первой половине 1990 года произошло существенное увеличение объема частных инвестиций в развивающихся странах, которое не всегда направлялось на создание нового потенциала, а скорее для закупки имеющегося потенциала. Поиск новых источников финансирования привел к началу кампании приватизации в энергетическом секторе в целях привлечения нового капитала.
Классификация мер повышения эффективности энергопотребления. Существует 2 типа мер повышения эффективности энергопотребления:
1) более эффективное использование энергии на конечном этапе потребления в существующих установках (модификация эффективности) через усовершенствование операции и улучшение обслуживания и/ или замену некоторых компонентов;
2) более эффективное использование энергии на конечном этапе потребления в новых установках, с использованием нового оборудования и так далее. Этого можно достигнуть через систематичекое внедрение более эффективных энергосистем и технологию, внедряемую в момент оборачиваемости и расширения капитала.
В целом ряде мер конкретных случаев уровень энергопотребления можно снизить на 20-50% - в случае повышения эффективности в существующих установках и на 50-90% - в случае с новыми установками. Такого снижения можно достигнуть, используя наиболее эффективную технологию.
Промышленность: Существенный потенциал повышения уровня эффективности энергопотребления имеется во всех отраслях промышленности, но особенно это характерно для пяти наиболее энергоёмких отраслей: металлургия и сталелитейная промышленность, химическая, нефтеперерабатывающая, целлюлозно-бумажная и цементная промышленность, на долю которых приблизительно 45 % общего объема энергопотребления. На долю этих же отраслей приходится большая часть издержек производства энергетического сектора. Внедрение передовых технологий, снижающих издержки, улучшающих качество продукции и/ или содействующих мерам по охране окружающей среды, также ведет обычно к снижению уровня энергопотребления. Эти возможности очень важны для развивающихся стран, где деятельность по созданию инфраструктуры стимулирует резкое повышение спроса на базовые материалы.
Коммерческие и жилые постройки: что касается эксплуатации жилья, то здесь наблюдается широкий спектр таких конкретных методов энергопотребления, как приготовление пищи, обогрев и охлаждение помещений, освещение, охлаждение и заморозка продуктов питания, конторское оборудование и нагрев воды.
Результаты исследований показали то, что в секторе жилья потенциальная экономия в области энергетики составляет 30-50 % в различных промышленно развитых странах. Для коммерческих построек эти показатели составляют от 25-55 % в промышленно развитых странах до 50-60 % в странах переходного периода и развивающихся странах. Данные, касающиеся ряда демонстрационных проектов, свидетельствуют о том, что возможна даже еще более существенная экономия энергии через посредство эффективного сочетания имеющихся в настоящее время технологий в ходе строительства новых сооружений.
Транспорт: расход энергии на транспорте можно сократить путем: 1)повышения эффективности технологий транспорта (например, снижая расход горючего автомобилей);
2)перехода к менее энергоемким моделям транспортных средств, не снижая при этом уровня транспортных услуг или сохраняя его (например, замена личных автомобилей общественным транспортом);
3) изменения видов используемого транспортной системой топлива;
4) повышения качества транспортной инфраструктуры (например, автомобильные дороги, железные дороги.
Существенного снижения уровня энергопотребления можно достигнуть через стимулирование перехода к менее энергоемким моделям транспортных средств, поскольку для разных моделей характерна разная степень интенсивности. Замена личного транспорта автобусами может привести к относительному снижению уровня интенсивности. Этого можно достигнуть через модернизацию транспортной инфраструктуры, расширяя ее представленность и доступ к ней и/ или снижая спрос.
Сельское хозяйство: процесс энергопотребления в сельском хозяйстве является прямым (например, тракторное производство, энергия, необходимая для ирригации, просушивания зерновых) и опосредованным (например, удобрения, пестициды). По имеющимся данным только 35 % общего объема коммерческой энергии, потребляемой с США для производства продуктов питания, приходится на долю фермера. Оставшаяся часть расходуется на этапе переработки, упаковки, хранения, транспортировки и подготовки. Потенциальными методами экономии энергопотребления представляются изменения в конструкции тракторов и их использовании, снижении уровня энергоинтенсивности при обработке земли и совершенствование методов ирригации, сушки, животноводческого производства, садоводства и рециркуляция питательных веществ.
Снижение энергоемкости материалов: уменьшение доли первичных материалов при производстве товаров или оказания услуг ведет к снижению уровня энергопотребления. Снижение материалозатрат при производстве может достигаться через более эффективное использование материалов и использование их в замкнутых циклов (например, утилизация отходов и побочных продуктов с возвращением их в процесс производства). Эффективное ведение домашнего хозяйства, энергоэффективная конструкция товаров, замена материалов или использование более совершенных материалов, утилизация продукции и материалов и снижение уровня материалоемкости – все вышеперечисленные методы содействуют повышению материалоэффективности.
Макроэкономические последствия мер повышения эффективности использования энергии: распространенное в свое время, но ошибочное, мнение заключается в том, что уровень энергопотребления страны прямо пропорционален ее валовому внутреннему продукту (ВВП). Это справедливо, если, и только если, структура экономики и интенсивность энергетики есть величины постоянные. Таким образом, так называемая корреляция энергетика – ВВП имеет право на существование лишь в тот период, когда не наблюдается каких-либо изменений с точки зрения эффективности технического энергопотребления и/или экономической структуры.
Существуют 3 фактора, которые могут оказывать воздействие на снижение уровня энергоёмкости в большей части отраслей экономики. Первый фактор – повышение производительности производства энергоносителей (например, увеличение числа киловатт-часов электричества, полученного в результате сгорания 1 тонны угля). Второй фактор – повышение уровня эффективности технологии конечного потребления энергии – снижение уровня энергопотребления, необходимого для оказания каких-либо услуг в области энергетики ( например, сколько – то Кв.ч для определенного уровня освещения) или производства какого-либо продукта (например, сколько-то кВ.ч на тонну алюминия) в течение какого-либо периода времени. Третий фактор предполагает структурные изменения моделей использования энергоёмких материалов, с помощью которых экономика становится менее материалоёмкой с поддержанием высокого уровня экономической активности, что ведет к менее энергоёмкой модели экономики в целом. Такая возможность появляется тогда, когда преференции потребителя касаются более ценных, менее материалоёмких товаров и производство переключается на более дорогие материалы (например, через замену традиционной стали на современные высокопрочные виды в строительстве). Также в результате перехода от производства товаров к оказанию услуг отмечается определенное снижение уровня энергоемкости.
Природный газ: усиливалась роль природного газа в глобальном процессе экономии энергии и одновременно сократилась доля нефти и угля. По имеющимся прогнозам эта тенденция будет развиваться по следующим направлениям:
1) предполагается, что возобновляемые в конечном итоге традиционные источники природного газа будут такими же значительными, как и возобновляемые в конечном итоге традиционные источники нефти, а разведанные запасы природного газа увеличиваются гораздо быстрее, чем аналогичные запасы нефти;
2) в настоящее время темпы газопотребления быстрее на 58 % темпов потребления нефти. Такой переход к природному газу объясняется его низкой во многих районах мира ценой, его удобством для перевозки в виде сжиженного природного газа (СПГ), а также привлекательностью природного газа с экологической точки зрения и СПГ в качестве топлива. Природный газ имеет самый низкий процент выброса СО2 из всех видов ископаемого топлива и может в целом использоваться более эффективно, нежели уголь.
Производство термической энергии: в районах, имеющих доступ к источникам природного газа и СПГ, стала по выбору применяться технология термического производства энергии с комбинированным циклом применения газовых или паровых турбин. Это происходит по причине низких издержек на единицу капитальных затрат электростанций, высокого уровня термодинамической эффективности (текущий показатель составляет 50-52 %, но ожидается, что он достигнет к 2000 году 56 %), низкой степени концентрации загрязнителей в атмосферном воздухе (включая окислы азота), исключающих необходимость применения контрольного оборудования, следящего за качеством выбрасываемых в атмосферу дымовых газов, и низкой концентрации СО2 (почти на 3 четверти ниже, чем у современных работающих на угле паротурбинных электростанций).
Топливные батареи: топливные батареи - это устройства, которые преобразуют топливо непосредственно в электрическую энергию без его первоначального сжигания для получения тепла, начинают в настоящее время завоёвывать рынки СНР. Высокий уровень термодинамической эффективности, бесшумность в эксплуатации, нулевой или приближенной к нулевому уровень выброса загрязнителей и минимальной эксплутационные требования, часто делают их применение экономически выгодным в небольших (100 кВт или меньше) установках СНР, располагающихся в непосредственной близости к конечному потребителю, например, в жилых помещениях и промышленных объектах.
Энергия ветра: своё развитие промышленность энергии ветра получила в начале 1980–х годов, во многом в результате принятых правительством мер, стимулирующих это развитие. Несмотря на то, что первоначально их размещение осуществлялось в промышленно развитых странах, в настоящее время ветряная энергетика быстрыми темпами завоевывает некоторые развивающие страны (например, в начале 1996 года мощность ветряных установок в Индии составила 650 МВт). Хотя в некоторых районах до сих пор существуют определенные организационные заминки (и некоторые проблемы, связанные с чисто визуальными факторами) в плане их размещения, ветряная энергетика готова в технологическом смысле к эксплуатации в качестве одного из основных вариантов процесса производства электроэнергии.
Биомасса: биомасса используется в виде топлива энергопроизводства на тепловых паротурбинных ТЭС в лесоперерабатывающей и сельскохозяйственной отраслях промышленности некоторых стран. Биомасса, используемая для этих целей в качестве топлива, состоит в основном из этих отраслей. Наблюдается также расширение тенденции к переходу некоторых электростанций на комбинированное топливо из угля и добавок биомассы. В развивающихся странах имеются огромные возможности повышения уровня эффективности в области использования биомассы для производства энергии в промышленности, а также растет интерес к внедрению паротурбинных технологий СНР (например, в сахарной промышленности).
Передовую технологию, которая позволит электроэнергии, полученной из культивированной биомассы, конкурировать с работающими на угле электростанциями, представляет газификатор на интегрированном топливе из биомассы комбинированного типа (BIG/CC).
Фотоэлектрическая энергия: объем мировой продажи фотоэлектрических модулей значительно вырос в последние годы. Пока в большинстве случаев эти установки находят применение в различных областях, связанных с бытовой электроникой и так далее, однако, как автономные, так и подключенные к электрической сети области применения становятся все более емкими с точки зрения использования фотоэлектрических технологии.
Гелеотермическая электроэнергетика: высокотемпературные гелеотермические установки используют набор зеркал или линз, с помощью которых происходит фокусировка солнечных лучей в приемнике, где солнечная энергия преобразовывается в рабочую жидкость, приводящую в действие стандартную систему преобразования электроэнергии. Эта технология быстро приобретает экономическую рентабельность, в первую очередь при ее использовании в гибридных электростанциях, использующих гелеотермические модули и обычно ископаемые виды топлива.
Несколько гелеотермических установок, мощностью 354 МВт, использующих параболических ячеистые коллекторы, дополненные вспомогательными газовыми бойлерами, были построены в Калифорнии в период 1984-91 годов, в течение которого капитальные затраты на 1 установку сократились наполовину. Компания, которая занималась сборкой этих установок, обанкротилась в 1991 году, когда внезапно была отменена правительственная программа коммерческого стимулирования. В настоящее время разработаны планы возрождения парогазотурбинной комбинированного цикла технологии в качестве переходной стратегии содействия развитию солнечной энергии в период низких цен на ископаемые виды топлива.
Энергосистемы: проведение масштабной деятельности по внедрению технологии возобновляемых источников электроэнергии потребует их подключения к бытовым энергосистемам. Управление промежуточными станциями, использующими солнечную и бытовую энергию, может осуществляться на основе комбинации и новых методик распределения нагрузок; поддержания возобновляемых источников с помощью соответствующей комбинации передаваемый генерирующих мощностей; использования взаимосвязанных сетевых систем для передачи электроэнергии на большие расстояния для компенсации некоторых дневных нагрузок в области ветряной и солнечной энергии, а также хранения энергии (механической, электрохимической и других).
Транспортные автомобили: электромобили предполагают одновременно как потенциал резкого снижения уровня загрязнения атмосферы, так и заметную экономию топлива. Общая характеристика такой технологии говорит о том, что электромотор приводит в движение колеса, а остановка осуществляется через посредство «регенеративного торможения». Одним из вариантов с заманчивой рыночной перспективой является гибрид электромобиля, в котором сочетаются наличие небольшого двигателя внутреннего сгорания и электрогенератора для обеспечения «базового электрического заряда» с небольшим аккумулятором, ультраконденсатором или маховиком в качестве устройства «пиковой нагрузки». Использование этих гибридов в автомобильной промышленности позволяет повысить уровень эффективности использования энергии минимум в 2 раза.
Топливные батареи не менее привлекательны для использования в электромобилях. Особый интерес сегодня вызывают топливные батареи с протонообменной мембраной (PEMFC). В рамках массового производства автомобили с PEMFC будут иметь гораздо более низкую себестоимость и гораздо больший период между дозаправками, чем электромобили на аккумуляторах.
К некоторым из альтернатив, заслуживающих внимания, можно отнести реформинг – бензин, сжатый природный газ, спирты (метиловый и этиловый), средние синтетические дистилляты, диметиловый эфир и водород.
Использование водорода позволит одновременно решить целый ряд задач, стоящих перед энергетической системой в 21 веке. Водород - легкий, универсальный и простой в эксплуатации энергоноситель. Даже в том случае, если он получен в результате сжигания ископаемых видов топлива, водород, используемый в транспортных средствах на топливных батареях, будет выбрасывать в атмосферу гораздо меньше СО2, чем автомобили с бензиновыми двигателями внутреннего сгорания, поскольку транспортные средства на топливных батареях гораздо экономичнее.
Однако, несмотря на все перечисленное выше, необходимые изменения не нашли отражения в общих тенденциях, наблюдавшихся в области энергетики. Как известно, мировое потребление энергии во всех ее видах, в том числе и электроэнергии, находится в непосредственной зависимости от численности населения. Население Земли растет особенно значительно в последнее время и составляет примерно 6 млрд. человек. Удельное потребление электроэнергии в расчете на одного жителя мира в конце 20 века составило 2190 кВт ч. Динамика роста населения во второй половине XX в. такова, что в 2000г. население возросло более чем в 2 раза по сравнению с 1950г. Большая доля в приросте населения приходится на развивающиеся страны. В Японии ожидается низкий прирост населения, но потребление электроэнергии на одного человека увеличится примерно с 7 в 1996 г. до 11 тыс. кВтч в 2015 г.
Основная доля вырабатываемой человеком энергии получается традиционными источниками, использующими запасы ископаемого топлива. Суммарное мировое потребление первичных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в 1995 г. составило немногим более 13 млрд. т. у. т., что на 530 млн. т. у. т. больше, чем в 1990г. Прирост мирового производства ТЭР за период с 1985 по 1990 гг. был равен 1580 млн. т. у. т.
Условное топливо – это принимаемая при технико-экономических расчетах и регламентируемая в нормативах и применяемая на практике единица, служащая для сопоставления тепловой ценности различных видов органического топлива. За единицу условного топлива принимается такое топливо, при сжигании 1 кг которого выделяется 29,3МДж (8,12 кВтч) тепла.
Примерная структура производства ТЭР в 1995 г. представлена в таблице 2.1 [3].
Таблица 2.1 - Структура производства ТЭР
Энергетический ресурс |
Количество,% |
Нефть |
39,6 |
Уголь |
27,3 |
Природный газ |
22,4 |
Атомная энергия |
7,5 |
гидроэнергия |
2,7 |
Прочие источники энергии |
0,5 |
В структуре мирового снабжения первичными ТЭР доля нефтяного топлива снижается при одновременном увеличении доли природного газа. За 20 лет в мире находят меньше нефти, чем ее расходуют. Вновь разведенная нефть, как правило, в более труднодоступных местах, что также накладывает дополнительные расходы на ее освоение.
Известно, в 1950 году количество энергии, содержащейся в одном барреле (159л) нефти, хватало на добычу ее 50 баррелей, т.е., затратив 1 кг нефти, добывали 50 кг нефти. В середине 1980 годов энергетическая эффективность упала до 1:8, а с учетом доставки до потребителя до -1:5. Предполагается, что в середине этого столетия она составит 1:1. Тогда невыгодно будет добывать нефть.
Еще в 1956г. доктор Кинг Хубберт (США) опубликовал известный всем нефтяникам график прогнозируемой нефтедобычи, который известен под названием «Закон Хубберта»: «Нефть используется как источник энергии до тех пор, пока добывать ее дешевле, чем получать с ее помощью электроэнергию. После этого добыча нефти прекратится независимо от того, какова будет ее денежно - кредитная цена».
Энергетическая Информационная Администрация (США) опубликовала «Международный энергетически ежегодник 1997г.», в котором указывается, что к 2015 г. потребление электроэнергии во всем мире возрастет до 20 трлн. кВтч (в 1995 г. этот показатель составлял 11,4·1012 кВтч).
Из общего прироста в 8,6*1012 кВтч примерно половина (более 4,3·1012 кВтч) придется на развивающиеся страны, в которых в 1995 г. производилось только 3·1012 кВтч. Определенные изменения наблюдались и в региональной структуре мирового топливно-энергетического баланса. Главные из них состояли в снижении доли промышленного развития стран – членов Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) стран Центральной и Восточной Европы, а также СНГ в суммарном мировом потреблении первичных ТЭР при одновременном увеличении доли Китая, других стран Азии, а также Латинской Америки и Африки.
Основным показателем потребления ТЭР является энергоемкость валового внутреннего продукта. В 1995 году энергоемкость ВВП в среднем в мире составляла примерно 400 гр. у. т. в расчете на 1$ (по курсу 1990 г.) против 443 в 1985 г. и 429 г у. т. в 1990 г. Энергоемкость ВВП имеет тенденцию к снижению, но самая большая энергоемкость ВВП составляет в бывших странах СНГ примерно 1,4 кг. у. т. на 1$. При том сохраняются опережающие темпы роста выработки электроэнергии к производству первичных ТЭР.
Основным видом топлива для производства электроэнергии останется уголь, его доля изменится с 36,8% в 1995 г. до 35,9% в 2015 г. При этом в абсолютных цифрах потребление угля возрастет в 6,3 млрд. ГДж. (216 млн. т. условного топлива).
На рисунке 2.1 (а, б) представлено изменение топливного баланса при производстве электроэнергии с 1995 по 2015 г.:
а)
1. уголь |
36,8% |
2. природный газ |
16,1% |
3. жидкое топливо |
9,2% |
4. возобновляемые ИЭ |
21,2% |
5. атомная энергетика |
16,6% |
б)
1. уголь |
35,9% |
2. природный газ |
22,9% |
3. жидкое топливо |
9,1% |
4. возобновляемые ИЭ |
21,5% |
5. атомная энергетика |
10,6% |
Рисунок 2.1 - Изменение топливного баланса (а-1995год, б-2015год)
Существенно увеличится с 16,1% до 22,9% доля природного газа и упадет доля атомных электрических станций с 16,6% до 10,6%.
Исходя из этого, можно сделать вывод, что направление развития энергетики будет связано в основном со строительством газотурбинных электрических станций.
"Известные" ресурсы урана в мире в настоящее время оцениваются в 2.4 млн. т. Годовая потребность в уране 420 действующих в мире ядерных энергетических реакторов оценивается в 58 тыс. т. Ресурсы урана достаточны для работы ныне действующих АЭС в течение 41 года. С учетом урана, добываемого по более высокой цене, обеспеченность запасами ядерного горючего возрастает до 64 лет. Но из-за пересмотра вопроса о сооружении новых ядерных реакторов, после аварии на Чернобыльской АЭС, доля атомных электрических станций падает.
За последние годы не наблюдалось сколько-нибудь заметного изменения структуры производства электроэнергии по типам электростанций. Общая установленная мощность электростанций мира по состоянию на начало 1993 года была 2847 млн. кВт, из которых на долю ТЭС приходилось 1852 млн. кВт (65%), ГЭС – 654 (0.23%), АЭС – 331 (0.12%) и НВИЭ – 10 млн.кВт (0.04%). Следует отметить, что практически во всех регионах мира тепловые электростанции играют доминирующую роль в суммарном производстве электроэнергии. Это в полной мере относится и к региону СНГ, в котором доля ТЭС в общем производстве электроэнергии составляет около 75%.
В 90-е годы ХХ в. годовое производство энергии на базе "новых" нетрадиционных источников энергии оценивается в 240 млн.т.у.т., что соответствует 2% общих мировых потребностей в первичных энергетических ресурсах за год. Доля гидроэнергии и других возобновляемых источников энергии к 2010г. увеличится более чем на 1%.
Практически во всех прогнозах предусматриваются опережающие темпы роста производства и потребления электрической энергии по сравнению с первичными энергоресурсами
Значения расхода энергоносителей и к.п.д. определены для электростанций одинаковой мощности (1 ГВт), вырабатывающих за сутки 24 ГВт·ч (86,4*10 Дж) энергии. Существующие в настоящее время в энергетике способы получения электрической энергии сопровождаются большими потерями и основаны на расточительном использовании органического топлива.
Глава 3. Развитие энергетики в республике Казахстан
Казахстан занимает территорию свыше 2.7 млн. км2 с различными географическими и климатическими условиями. Он имеет крупные запасы традиционных энергетических ресурсов - 0,5% от мировых балансовых запасов топлива, примерно 30 млрд тонн условного топлива.
Добыча угля и лигнита играет одну из важных ролей в развитии производства республики, основная из которых – энергетическое топливо. Запасы угля в Казахстане составляют 35.8 млрд. тонн (3.6% мировых запасов), которых хватит более чем на 500 лет. Среди стран бывшего Союза Казахстан занимает третье место после России и Украины по запасам и первое - по добыче угля на душу населения. На каждого жителя в Казахстане приходится 5 т угля, что в 3 раза больше, чем в России и Украине. В структуре потребления энергоресурсов уголь в Казахстане составляет свыше 60%, происходит снижение объемов добычи угля, которая в 2000г составила 74.9 млн. т.
За последние годы нефтегазовая отрасль стала одной из ведущих в республике. Развитие нефтегазовой отрасли базируется на четырех ключевых объектах: Тенгиз, Карачаганак, Каспийский трубопровод и шельф Каспийского бассейна. Среди стран СНГ Казахстан является вторым после России производителем нефти. Нефтедобыча (включая газовый конденсат) составила в 2000 г. 35,3 млн. тонн. В 2005г. рост добычи нефти и газового конденсата составлял до 60 млн. тонн, а в 2011 году ожидается до 100 млн. тонн. Доля Казахстана в общемировой добыче составляет 0,8%. Казахстан располагает значительными запасами нефти (3 млн. тонн) и газа (2 трлн. куб.м), которых хватит, соответственно, на 115 и 250 лет. Добыча естественного газа в 2000 г. составила 11,5 млрд. куб. м. Многие мелкие месторождения нефти, газа, природных битумов, минерального сырья не осваиваются в связи с отдаленностью от линии электропередач и другой необходимой инфраструктуры.
По выработке электроэнергии среди стран СНГ Казахстан занимает третье место в мире, в 2000 г ее произведено 51,6 млрд. кВт · ч, а тепловой энергии - 65,5 млн. Гкал.
В то же время из-за обширной территории Казахстана с низкой плотностью населения, потребители отдельных районов Казахстана испытывают дефицит электроэнергии. По энергообеспеченности на душу населения ряд областей республики (Акмолинская, Алматинская, Жамбылская, Западно-Казахстанская, Северо-Казахстанская и Южно-Казахстанская) попадают в разряд районов, которые можно отнести к энергодефицитным (приходится менее 2 кВт.ч. в сутки на человека, тогда как в среднем по стране этот показатель в 5 раз выше).
Основные показатели электроэнергетики Казахстана за 2005 год: установленная мощность (на 01.01.2006 г.) – 18 572 МВт, располагаемая мощность – 14 410 МВт, максимальная электрическая нагрузка – 10 634 МВт, потребление электроэнергии – 68,1 млрд. кВт.ч, производство электроэнергии – 67,5 млрд.кВт.ч, экспорт в Россию – 2,2 млрд.кВт.ч, импорт из России в Западный Казахстан – 1,5 млрд.кВт.ч., импорт из Центральной Азии в Южный Казахстан – 1,6 млрд.кВт.ч. В структуре генерирующих мощностей тепловые электростанции составляют 15.42 ГВт, или 87% от общей мощности, доля гидростанций – около 12%, другие – около 1%.
Структура активов электроэнергетики - национальная электрическая сеть (НЭС–АО «KEGOC»):
- общая длина линий электропередач (Вл)–23 382 км, в т.ч.: ВЛ–1150 кВ – 1422,5 км, Вл–500 кВ – 5295 км, Вл–220 кВ – 15 968 км, Вл–110 кВ – 562 км, Вл – 35 – 0,4кВ – 134,5 км;
- всего трансформаторных подстанций (ПС) – 74, в т.ч.: ПС–1150 кВ – 3, ПС–500 кВ – 15, ПС–220 кВ – 53, ПС–110 кВ – 1, ПС–35 кВ – 2;
- 8 крупных электростанций национального значения с установленной мощностью: ЭГРЭС–1 (AES) – 4000 МВт, ЭГРЭС–2 – 1000 МВт, Аксуйская ГРЭС – 2100 МВт, КарГРЭС–2 – 608 МВт, ЖГРЭС – 1230 МВт, Бухтарминская ГЭС – 675 МВт, Усть-Каменогорская ГЭС-331 МВт, Шульбинская ГЭС-702 МВт;
- 51 электростанция регионального назначения, в т.ч. ГРЭС-1, ТЭЦ-37, ГТЭС, ГТУ, ПГУ-7, малые ГЭС и каскады ГЭС-6; 21 РЭК, в т.ч. 14 РЭК в частной собственности, 1 РЭК (ЮЭС) передан в коммунальную собственность, 3 РЭК – госпакет акций передан в управление (ВК РЭК и Семипалатинский филиал ВК РЭК – AES, Жезказганская РЭК – АО «Казахмыс»), 2 РЭК-100% пакета акций находятся в государственной собственности (Мангистауская РЭК, Западно-Казахстанская РЭК), 1 РЭК (АПК) – 100% пакета акций выкуплены АО «Казтрансгаз».
Производство электроэнергии в Казахстане в 2007 году составило около 76,3 миллиардов кВ/ч. В течение последних лет наблюдается устойчивая динамика увеличения потребления и производства электроэнергии, что связано с подъемом экономики. Предполагается, что уровень производства электроэнергии 1990 года (87.38 млрд. кВ/ч) будет достигнут Казахстаном к 2010 г. Рост потребления электроэнергии приведен в таблице 3.1
Дефицит между производством и потреблением электроэнергии в 2007 году составил 95 млн. кВт ч.
Таблица 3.1 - Рост потребления электроэнергии
Годы |
2003 |
2004 |
2005 |
2006 |
2007 |
2010 |
2015 |
Потребление электроэнергии, млрд.кВт/ч |
62,10 |
63,95 |
67,50 |
71,92 |
76,5 |
83,00 |
97,00 |
Существующие генерирующие мощности электростанций имеют значительный срок эксплуатации (25 и более лет) и нуждаются в обновлении. Так, из 18,5 ГВт общей генерирующей мощности располагаемая мощность составляет около 14 ГВт, что значительно снижает возможности по генерации электроэнергии. По регионам Казахстана баланс электроэнергии выглядит следующим образом:
- северная зона (Акмолинская, Восточно-Казахстанская, Костанайская и Павлодарская области), где сосредоточены основные генерирующие мощности Казахстана, является энергоизбыточной. Здесь планируется ввод новых мощностей порядка 1035 МВт, в основном, для покрытия местных нагрузок и передачи электроэнергии в энергодефицитные области, а также для экспорта в Россию.
- западная зона (Актюбинская, Атырауская и Западно-Казахстанская области) имеется дефицит электроэнергии в объеме порядка 0,84 млрд. кВт/ч. Планируется ввод около 1300 МВт новой мощности на газе. С учетом вступления Казахстана в ВТО и возможных перспектив повышения цен на газ до мирового уровня, стоимость электроэнергии в этом регионе может значительно повыситься.
- южная зона (Алматинская, Жамбылская, Кызылординская и Южно-Казахстанская области) имеется дефицит электроэнергии (см. таблицу 3.2).
Таблица 3.2 – Показатель дефицита электроэнергии в южной зоне Казахстана
Период |
2005 |
2010 |
2015 |
Потребность в электроэнергии, млрд. кВт/ч |
12,5 |
14,7 |
17,0 |
Выработка электроэнергии местными электростанциями, млрд. кВт/ч. |
7,75 |
7,7 |
8,35 |
Транзит Север-Юг, млрд.кВт/ч |
3,5 |
7,0 |
7 |
Дефицит, млрд.кВт/ч |
1,25 |
0,0 |
1,67 |
В Казахстане более половины общего объема электроэнергии и 40% тепловой энергии вырабатывают предприятия Павлодарской и Карагандинской областей. Себестоимость выработки 1кВт·ч электроэнергии составляет 1,5 тенге.
Ограничено количество электростанций при весьма неравномерном размещении их на территории республики и низкой плотности потребителей электроэнергии. По этой причине общая протяженность магистральных и распределительных, преимущественно тупиковых воздушных линий электропередачи всех напряжений, по которым электроэнергия поставляется от пунктов ее генерации до наиболее удаленных потребителей (плечо электропередачи), достигает многих сотен километров, со всеми вытекающими из этого негативными последствиями:
- крайне высокими технологическими потерями электроэнергии на ее транспортировку;
- ухудшением режима напряжения – величина его отклонения от номинального на шинах удаленных потребительских электроприемников не соответствует нормативным значениям;
- резким снижением надежности электроснабжения потребителей, особенно удаленных от центров питания на сотни километров, частыми и длительными аварийными отключениями потребителей и отказами 1 и 11 степени, дезорганизующими жизнь населения, а также разрывами непрерывных технологических процессов в сельскохозяйственном производстве;
- значительными издержками при эксплуатации распределительных сетей высокого напряжения, в том числе большими транспортными расходами;
- ухудшением эксплуатационного режима работы в сети в целом.
Ситуация усугубляется тем, что преобладающая часть электросетевых элементов превысила расчетный срок службы или близка к нему. Происходит интенсивное и необратимое истощение сельского электросетевого ресурса. Одним из вопросов, который касается всех регионов Казахстана, является энергоснабжение отдаленных сельских потребителей. Значительная территория Казахстана и низкая плотность населения в сельской местности обусловливают наличие громадной протяженности сельских линий электропередач, составляющей около 360 тысяч км. Содержание электрических сетей большой протяженности, равно как и значительные потери (25-50%) при передаче электроэнергии в значительной степени повышают стоимость электроэнергии. По оценкам экспертов реальная стоимость транспорта электроэнергии для маломощных отдаленных потребителей может достигать до 5 центов/кВт.ч, что делает электроснабжение отдаленных небольших потребителей экономически нерентабельным. Энергетическая отрасль нуждается в значительной реабилитации и обновлении для обеспечения надежности.
Что же предполагается сделать в ближайшие годы?
В первую очередь для ликвидации разрыва в установленной и располагаемой мощности электростанций предполагается реконструкция основного оборудования действующих ТЭС:
- до 2010 года на Аксуйской ГРЭС –3-х энергоблоков по 300 МВт, (необходимая сумма 100 млн.); на ЭГРЭС-1-2х энергоблоков по 500 МВт (200 млн.); КарГРЭС-2 – энергоблоки суммарной мощностью 280 МВт (50 млн.); электростанциях регионального уровня – оборудование суммарной мощностью 1100 МВт (220 млн.);
- до 2015 года: на Аксуйской ГРЭС – еще трех энергоблоков по 300 МВт (100 млн.); Экибастузской ГРЭС-1 – одного блока 500 МВт (100 млн.); КарГРЭС-2 – энергоблоки суммарной мощностью 415 МВт (90 млн.); электростанциях регионального уровня – оборудование суммарной мощностью 1600 МВт (350 млн.); перевод ЖГРЭС на пылеугольное топливо – 6 блоков по 200 МВт (650 млн.).
Для покрытия увеличивающегося потребления электроэнергии в стране, особенно в энергодефицитных регионах (Южный и Западный Казахстан), предполагается строительство новых генерирующих мощностей на ТЭС, а также строительство ГЭС: Мойнакская ГЭС мощностью 300 МВт (необходимая сумма – 250 млн., ввод – 2009 году); Кербулакская ГЭС-контр-регулятор Капшагайской ГЭС-50 МВт (80 млн.); Булакская ГЭС-контр-регулятор Шульбинской ГЭС-78 МВт (270 млн.); строительство в Западном Казахстане ГТУ и ПГУ общей мощностью 1500 МВт (750 млн.), в т.ч. до 2008 года – 600 МВт (300 млн.); расширение Акмолинской ТЭЦ-2 двумя блоками по 120 МВт (450 млн.) с вводом в 2007 и 2013 годах; строительство Акмолинской ТЭЦ-3 с вводом 1го блока мощностью 120 МВт (250 млн.) в 2015 году; расширение КарГРЭС- 1 блоком 156 МВт (60 млн.) и КарГРЭС-2 блоком 55 МВт (20 млн.) к 2010 году; расширение ЭГРЭС-2 с вводом энергоблоков №3 (200 млн.) в 2010 году и №4 (500 млн.) в 2015 году мощностью по 500 МВт.
Строительство упомянутых ГЭС на Юге Казахстана дополнительно увеличивает регулирующую мощность единой энергосистемы Казахстана, потребность в которой составляет 20% при используемой регулирующей мощности действующих ГЭС-4%,. Более того, строительство новых ГЭС-контр-регуляторов существующих ГЭС дополнительно увеличивает мощность последних.
Проблему энергодефицита Южного и Западного Казахстана предполагается решить также строительством второй линии электропередачи 500 кВ транзита Север-Юг Казахстана по маршруту Экибастуз-Агадырь-Ю-КГРЭС-Шу, протяженностью 1150 км общей стоимостью 41,4 млрд.тн. со сроком реализации 2004-2008 годы, а также строительством межрегиональной линии электропередач 500 кВ по маршруту Жетикара-Ульке протяженностью 500 км общей стоимостью 15,7 млрд.тн. со сроком ввода в 2008 году. Указанная ЛЭП пропускной способностью 700 МВт позволит соединить Актюбинскую МЭС с национальной энергосистемой Казахстана.
Предполагается также строительство линии электропередач 500 кВ по маршруту Кульсары-Кенкияк-Ульке, протяженностью 500 км, общей стоимостью 125 млн., которая позволит соединить еще и Западные МЭС с национальной энергосистемой Казахстана.
Для выдачи мощности будущей Мойнакской ГЭС, строительство которой ожидается начать в конце 2006 года, в ЕЭС Казахстана Правительством поручено АО «KEGOC» организовать строительство двухцепной линии электропередач 220 кВ протяженностью 250 км общей стоимостью 50 млн.
Для увеличения экспортного потенциала страны предполагается строительство Экибастузской ГРЭС мощностью 7000 МВт, высоковольтной линии электропередач 750 кВ до границы с Китайской народной республикой за счет китайских инвестиций.
Ежегодно в атмосферу выбрасывается более миллиона тонн [4] вредных веществ и около 70 млн. тонн двуокиси углерода (3 место в мире по отношению к ВВП 5,95кг/долл.). Приблизительно экономический ущерб от загрязнения окружающей среды угольной энергетикой составляет порядка 3,4 млрд. долл. США ежегодно. По данным центра изменения климата РГП «Казахстанский научно-исследовательский институт экологии и климата» в 2004 г. Казахстан выбросил в атмосферу 213 миллиона тонн в СО2 эквиваленте. Такое же количество - в 2005 г. Максимальная доля — 81,1% относится к энергетической отрасли - свыше 172 млн. тонн.
Реализация предложений к Стратегии «Эффективное использование энергии и возобновляемых ресурсов Республики Казахстан в целях устойчивого развития до 2024 года» должна привести к достижению следующих результатов:
- повышение доли использования альтернативных источников энергии в Республике Казахстан до 0,05 % - к 2012 году, 5 % - к 2018 году, 10 % - к 2024 году;
- обеспечение замещения альтернативными источниками энергии к 2009 году 0,065 млн. тонн условного топлива, к 2012 году – 0,165 млн. т. у. т., к 2018 году – 0,325 млн. т у. т., к 2024 году – 0,688 млн. т. у. т. и к 2030 году – 1,139 млн. т у. т.;
- повышение доли использования возобновляемых источников энергии (без учета крупных гидроэлектростанций) в производстве электрической энергии до 3000 МВт мощности и 10 млрд. кВтч электроэнергии в год к 2024 году.
Технически возможно использовать следующие виды возобновляемых источников энергии:
1) солнечную энергию для теплоснабжения – 20 млн. Гкал;
2) ветроэнергетику – 18 млрд. кВт · ч;
3) гидроресурсы малых рек и водохранилищ – 7 млрд. кВт ч;
4) биоресурсы – 10 млн. тонн у.т.;
5) термальные воды – 1млн. тонн у.т.
В соответствии с прогнозом уровней электропотребления и электрических нагрузок, выполненным АО КазНИПИИТЭС «Энергии», финансирование электрических ВИЭ предполагается начать только с 2011 – 2015 года (кроме пилотного проекта в Джунгарских воротах ) в объеме 7,8% (191 млрд.тенге) от общего объема (2453 млрд.тенге) инвестиций в электростанции до 2030 года.
Программа развития энергетики Казахстана предусматривает:
1) рост добычи нефти и увеличение ее доли во внутреннем потреблении и экспорте;
2) повышение использования природного газа на внутреннее потребление;
3) переработка и комплексное использование углеводородного сырья;
4) повышение качества энергоресурсов путем их обогащения и электрохимической переработки;
5) интенсификация освоения местных ресурсов и использование нетрадиционных источников энергии;
6) повышение экономической эффективности всех установок по добыче, переработке, распределению и использованию ресурсов;
7) отказ от чрезмерной централизации энергоснабжающих организаций и приближение источников энергии к потребителям;
8) экологическая и аварийная безопасность источников электроэнергии и надежность обеспечения;
9) создание качественно новых технологий и технических средств, экологически чистых угольных электростанций, новых источников электроэнергии и переработки сырья.
А главная цель развития энергетики Казахстана состоит в:
- использование ТЭР для подъема жилищного уровня населения;
- повышение производительности труда;
- снижение воздействия на окружающую среду;
- формирование рынка электроэнергии.
Глава 4. Экономические и экологические аспекты энергосбережения
Впервые особое внимание к энергетической проблеме было обращено в период 1970-х годов в результате резкого повышения цен на нефть в 1973 и 1979 годах. Как для лиц, ответственных за разработку политики в правительствах, так и для потребителей стала очевидной та легкость, с которой изменения цен на нефть и колебания объемов поставок энергоносителей могут уязвить экономику практически всех стран мира. Перед странами-импортерами нефти встали серьезные проблемы окончательных расчетов, а в некоторых случаях они превращались в долговые ловушки.
Именно тогда впервые был поднят вопрос энергосбережения. Что такое энергосбережение? Согласно закону об энергосбережении Республики Казахстан от 25 октября 1997 г. № 210–1 энергосбережение – это деятельность (организационная, научная, практическая, информационная), направленная на рациональное и экономичное использование топливно-энергетических ресурсов (ТЭР).
Энергосбережение исходит из двух аспектов:
- экономия ТЭР;
- экология окружающей среды.
Экономия ТЭР. Ископаемые топлива будут продолжать обеспечивать большую часть энергетической потребности в течение следующих нескольких десятилетий. Разведанных запасов угля хватит на 250 лет при сохранении современных уровней потребления, нефти – на 40 лет и природного газа – на 65 лет. После 2020 года может возникнуть напряженность с нефтью и газом. Зависимость от импорта нефти, природного газа и угля будет возрастать, поскольку дальность их транспортировки будет увеличиваться.
Экология окружающей среды. С каждым годом в мировом обществе возрастает озабоченность тем, что с ростом производства и потребления ТЭР увеличивается негативное воздействие на природу. Наибольшую тревогу вызывает выбросы в атмосферу в результате сжигания органических топлив «парниковых газов», главным среди которых считается СО2. Если за 100 лет, с 1860 по 1960 г.г., содержание СО2 в атмосфере выросло на 16,4%, то только за последнее 35 лет, после 1960 г., оно почти удвоилось и достигло 32,3%. При этом более 42% всех выбросов обусловлено сжиганием нефтепродуктов, почти 39% - угля и 19% - газа. Напомним, когда закончился последний ледниковый период (около 12 тыс. лет назад) концентрация углекислого газа (СО2) составляла 200 молекул на 1 миллион молекул воздуха. Затем она начала медленно расти. За 12 тыс. лет концентрация СО2 достигла до 270 долей на 1 миллион воздуха. А в течение XX столетия этот показатель возрос до 390 долей. Если так будет продолжаться, то за предстоящие 50 лет температура поднимается еще на 2 градуса, а к концу XXI века на Земле не останется ни одного ледника. Многие прибрежные регионы будут затоплены, наступит эра катастрофических наводнений и разрушений.
За последние 10 лет объем выброса углекислого газа в атмосферу увеличился на 43% (около 70 млн.тонн в Казахстане). Нарастает техногенное загрязнение окружающей природной среды, обусловленное тем, что на угольных тепловых станциях республики, вырабатывающих до 70 % электроэнергии и оснащенных котельным оборудованием, не отвечающим современным стандартам, сжигается преимущество низкокалорийный бурый уголь с большим содержанием золы (до 47 % и более), что приводит ко многим негативным последствиям:
- высокой эмиссии в воздушный бассейн вредных твердых и газообразных продуктов горения (в частности SO2 и NO2) в концентрациях, многократно превышающих предельно допустимые значения (ПДК). При наличии влаги из кислотных остатков образуется кислота, и инициируются губительные для всего живого кислотные дожди;
- выбросу в воздушный бассейн огромных объемов двуокиси углерода (CO2). И образованию «парникового эффекта», связанного с тем, что нагреваемая солнечными лучами земля уменьшает теплоотдачу в окружающее пространство и способствует тепловому загрязнению атмосферы и, как следствие, глобальному потеплению климата на планете. Такая ситуация может привести к таянию льдов и вызвать всемирный потоп;
- загромождению поверхности земли золоотвалами на угольных электростанциях и терриконами отработанной породы, с которых на десятки и сотни километров разносятся пыль, зола и шлак;
- образованию смога, за счет выбросов сажи и золы, которые, попадая на землю, значительно уменьшают ее плодородие;
- истощению озонового слоя в верхних слоях атмосферы, защищающего земную поверхность от вредного воздействия ультрафиолетового солнечного излучения;
- большому техническому потреблению воды и сооружению дорогостоящей системы водоподготовки;
- потреблению (для сжигания) в огромных объемах кислорода воздуха.
На рисунке 4.1 приведены показатели загрязнений окружающей среды (выбросы газов и золы даны в тоннах в сутки, а радиоактивность - в секундах в минус первой степени) станциями различного типа мощностью по 1ГВт каждая.
Негативные факторы не только приводят к невосполнимым материальным утратам и экономическому ущербу, но и весьма пагубно отражаются на здоровье людей, продолжительности их жизни и на последующих поколениях.
Рисунок 4.1 - Загрязнение атмосферы электростанциями различного типа
Особенно вредное воздействие на животный и растительный мир оказывает загрязнение атмосферы окисью серы. Содержание сернистого газа в количестве 20мг/м3 вызывает раздражении дыхательных путей, а содержание 400-500мг/м3 представляет опасность для жизни людей.
В то же время, как показано в таблице, для общего загрязнения атмосферы наибольшую опасность представляют автомобили.
Таблица 4.1 – Показатели загрязнения атмосферы
Отрасли промышленности, устройства |
Общее загрязнение атмосферы,% |
Сера, % |
Окись углерода, % |
Автомобили |
60 |
5 |
90 |
Промышленность |
15 |
30 |
3 |
Электростанции и отопление |
22 |
60 |
5 |
Мусоросжигание |
3 |
5 |
2 |
О невыгодности использования нефти как источника энергии говорит тот факт, что применение нефти и газа в нефтехимии позволяет получить гамму важных продуктов (полистирол, полиэтилен, полипропилен и др.) с большой добавленной стоимостью.
В 1989г. Мировой энергетический совет (МИРЭС) образовал международную комиссию "Энергия для завтрашнего мира: реалии, возможность выбора и программа действий". В задачу комиссии входила разработка сценариев развития мирового и региональных энергетических хозяйств в период до 2020г с особым вниманием анализу взаимозависимости устойчивого развития экономики с энергетикой и сохранением среды обитания. В состав Совета комиссии была включена группа из 50 известнейших в мире ученых и специалистов, представляющих большую группу индустриальных и развивающихся стран, в том числе Англию, Германию, Индию, Канаду, Россию и др.
Отчетный доклад Комиссии, опубликованный в 1993 г. в виде отдельной книги под названием "Энергия для завтрашнего мира", содержит анализ общих тенденций и направлений развития мировой энергетики, дающих государственным деятелям и деловому миру ориентиры, необходимые при принятии решений в сфере развития экономики и энергетики на национальном уровне.
В настоящее время разрабатываются различные международные проекты, чтобы предотвратить предстоящие катастрофы. Одним из них является Киотское соглашение, принятое на самом крупном экологическом форуме Киота в 1997 г., предусматривающее ограниченное использование углеводородного топлива. Однако многие страны или не подписали протокол, или вышли из него, т.к. он ограничивает развитие промышленности. Например, США Киотский протокол не подписывают.
В течение длительного времени игнорировались стратегические и экологические последствия реализуемых моделей потребления энергии. Во всем мире продолжается поиск источников энергии для удовлетворения потребностей без соответствующего учета последствий их использования с социальной и экономической, экологической точки зрения безопасности.
В 1997 году в Рио-де-Жанейро при ООН состоялась Конференция по развитию энергетики в 21 веке. На этой Конференции было рассмотрено 3 аспекта энергосберегающей политики в 21 веке.
Повышение производительности производства энергоносителей:
- снижение энергозатрат на добычу энергоресурсов и энергоносителей;
- увеличение количества вырабатываемой электроэнергии, получаемой из единицы топлива (например, увеличение числа киловатт-часов электричества, полученного в результате сгорания 1 тонны угля);
- снижение потерь электроэнергии в электрооборудовании при ее производстве и передаче;
- использование возобновляемых энергоресурсов взамен не возобновляемых.
Повышение уровня эффективности технологии конечного потребления энергии. Снижение энергопотребления для оказания каких-либо услуг:
- в промышленности продукта (например, количество кВ.ч на тонну алюминия) в течение какого-либо периода времени;
- в коммунальном хозяйстве (например, количество Кв.ч для определенного уровня освещения), на транспорте, в сельском хозяйстве.
- структурные изменения модели использования энергоемкости материалов;
- замена высокоэнергоемких материалов (стали) на менее энергоемкие того же качества;
- переход от производства товаров к оказанию услуг.
На основе перехода к высококачественным энергоносителям и использования рентабельных и эффективных установок становится возможным повышение жизненного уровня, которые не требуют существенного (в сравнении с существующим) увеличения показателя энергопотребления.
Глава 5. Способы и методы энергосбережения
Большую работу в направлении создания системы терминов и их определений в области энергосбережения проделал Мировой энергетический совет (МИРЭС). В соответствии с его определением энергосбережение – комплекс мер или действий, предпринимаемых для обеспечения более эффективного использования энергетических ресурсов.
Данные мероприятия имеют три направления:
1) Достижение экономии энергии.
Экономия энергии – результаты реализации мер, принимаемых в целях снижения непроизводительных потерь топлива, электроэнергии, теплоты, механической энергии. Это означает снижение физического объема топлива и (или) энергии, расходуемой на единицу выпускаемой продукции или национального дохода, т.е. экономия органического и ядерного топлива, электрической и тепловой энергии;
2) Рациональное использование энергии.
Рациональное использование энергии – расходование энергии потребителями наиболее подходящим путем для достижения экономических выгод с учетом социальных, политических, финансовых ограничений, требований по охране окружающей среды. Термин не равнозначен термину «экономия энергии» и включает мероприятия, реализация которых в области энергетического хозяйства обеспечивает достижение экономического эффекта за счет совершенствования структуры самого энергетического производства и энергетического баланса.
Экономия энергии и рациональное ее использование существенно влияют на энергоемкость – количество энергии, которая была потреблена (прямо или косвенно) при производстве продукции или выполнении работы (измеряется в местах выпуска продукции и выполнения работы).
Количество энергии определяется на единицу произведенной продукции или выполненной работы.
Термин «энергоемкость» все более широко используется в качестве показателя удельного расхода энергии в расчете на денежную единицу (национального дохода, стоимость выпущенной продукции и т.д.).
3) Замещение дорогих энергоресурсов и дефицитных энергоносителей другими, более доступными и дешевыми, а также замещение энергией трудовых ресурсов. Например, замена нефти углем, нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии и т.д.
Энергосберегающая политика как средство повышения общей эффективности народного хозяйства включает и основные мероприятия по замещению дорогих и истощающихся видов энергоресурсов более эффективными и крупномасштабными. Энергосберегающая политика охватывает весь комплекс мер по совершенствованию энергопотребления как в части сокращения энергоемкости, так и в отношении структуры энергопотребления. При расчете прибыли от энергосбережения пользуются удельными затратами на экономию энергии – затраты, необходимые для реализации мер по экономии единицы энергии в год без нежелательного изменения количества или качества выпускаемой продукции.
Меры, рассмотренные выше, могут носить пассивный, активный или организационный характер.
Пассивная экономия энергии - это спроектированные материалы, оборудование, процессы с минимальным потреблением ТЭР и потерь энергии, без вмешательства в процесс жизнедеятельности и производства.
Например, теплоизоляция – защита жилых и общественных зданий, тепловых промышленных установок, трубопроводов от нежелательного теплового обмена с окружающей средой для снижения потерь теплоты. Термин «теплоизоляция» может быть применим также в том случае, когда теплоизолирующие материалы используются для предотвращения потерь холода из холодильных камер или, то же самое, поступления теплоты в них.
Энергоэкономическое здание – здание, спроектированное таким образом, чтобы его энергетические потребности на нужды отопления, кондиционирования воздуха, освещения и горячего водоснабжения удовлетворялись при минимальном использовании покупной энергии, т.е. здание, которое может эксплуатироваться при минимальных затратах на энергию. Существует большое число типов «энергоэкономического здания».
Активная экономия энергии требует вмешательства в процесс жизнедеятельности и производства и подразделяется на 2 типа:
а) применительно к действующим энергетическим и энергопотреб-ляющим установкам.
Например, побочная термодинамическая эффективность - общее количество теплоты, получаемой зданием от солнечного излучения и от любого другого источника теплоты, например, от осветительных приборов, людей, находящихся внутри здания, и т.д. Термин используется при оценке энергетической эффективности зданий. Побочная термодинамическая эффективность может обеспечить экономию топлива и энергии только при условии, если отопительная система здания оснащена автоматизированной системой регулирования внутренней температуры.
Запрограммированное управление отоплением и кондиционированием воздуха – автоматическое управление системой отопления и кондиционирования воздуха в зданиях в соответствии с программой, заранее разработанной таким образом, чтобы люди в здании находились в необходимых комфортных условиях при минимальных энергетических затратах, а во время отсутствия людей в здании нагрузки на установки по отоплению и кондиционированию воздуха автоматически снижались.
Регулирование нагрузки – любой метод регулирования нагрузки потребительских установок, особенно в периоды прохождения максимумов нагрузки в энергосистемах. Для контроля за регулированием применяют специальные приборы, например, тепломеры, счетчики нагрузки в пиковые периоды, используются специальные тарифы и контракты, допускающие перерывы или ограничения в снабжении электроэнергией. Иногда регулирование нагрузки достигается за счет обеспечения аккумулирования электроэнергии и теплоты, вырабатываемой в течение вне пиковых режимов и поступающей к потребителю во время прохождения пика нагрузки. Возможно сочетание этого и ряда других методов;
б) экономия энергии с помощью дополнительных элементов оборудования, использования вторичных энергоресурсов на действующих энергетических и энергопотребляющих установках.
Например, регенерация энергии – использование остаточной энергии после завершения конкретного процесса в том же самом или другом процессе.
Регенерация сбросной теплоты – утилизация (практическое применение) той части теплоты, которая была выработана для конкретного процесса, но не была потреблена в нем, оставаясь при этом полезной теплотой.
Регенерация механической энергии – преобразование в полезную форму энергии неиспользуемой части механической энергии, т.е. той части, которая без принятых мер была бы потеряна. Примером регенерации механической энергии является установка на магистральных газопроводах и на распределительных газовых сетях турбодетандеров вместо редукционных клапанов.
Повторное использование материалов – извлечение из отходов производства, быта, торговли вторичных материалов и возврат их в производство с целью снижения расходов сырья, энергии и финансовых средств по сравнению с производством продукции из сырьевых материалов.
Отходы – материал, не использованный ввиду того, что в данный момент он не имеет непосредственной ценности, или материал, оставшийся после завершения технологического процесса или отдельной производственной операции. Такие материалы могут быть в виде сельскохозяйственных (органическое вещество), промышленных (черные или цветные металлы, стекло пластмасса и т.п.) или бытовых (твердые и жидкие городские отходы) отходов.
Топливо из отходов – топливо, сырьем для производства которого служат отходы (метан из сельскохозяйственных отходов, жидкое топливо из резиновых отходов, твердые топлива из органических отходов). В случае отсутствия возможности утилизации вторичного сырья или отходов их непосредственно сжигают в топках, сконструированных для этих целей. Золу и шлаки, образовавшиеся в результате сжигания отходов, используют для производства удобрений, при сооружении дорог или для производства строительных материалов.
Организационные изменения и внедрение новых систем, применение которых позволяет сэкономить энергию.
Например, замена одного вида транспорта другим, более эффективным в энергетическом отношении.
Замещение – использование установки, процесса, продукции или услуг, требующих меньше энергии для работы или изготовления продукции, чем применявшиеся на практике, без ухудшения качественных характеристик производимых изделий или услуг (первое значение); использование в конкретном технологическом процессе или услуге вместо традиционно применяемого энергоносителя любого другого, если это замещение имеет преимущества или оно необходимо по экономическим, техническим условиям или по условиям энергоснабжения (второе значение). Оба эти случая в определенных условиях могут потребовать при замещении большего количества энергии, но менее дорогой, более доступной или с меньшей глубиной переработки.
Комплексные энергосистемы – системы для децентрализованного снабжения комплекса зданий, отдельного промышленного или торгового предприятия электроэнергией, теплотой и холодом; при этом их выработка и поставка потребителям базируется на поступлении в систему лишь одного вида энергоресурса (газ или мазут).
Меры могут быть правовыми, организационными, научными, производственными, техническими, экономическими.
Правовые. К правовым мерам относятся законы, подзаконные акты, нормативы и др. Закон Республики Казахстан «Об энергосбережении» принят 25 декабря 1997 года о нормировании, стандартизации и сертификации в области энергосбережения. В 2008 году в Казахстане действуют 10 правовых актов, затрагивающих проблемы энергосбережения. Однако ни закон, ни правовые акты не дают должного эффекта, что связано с отсутствием механизма их внедрения.
Организационные мероприятия, как указывалось выше, могут быть технического характера, а также отражать структуру организации энергосбережения на разных уровнях.
Научные исследования и опытно-конструкторские работы в области энергосбережения в Республике Казахстан проводятся на конкурсной основе специалистами любых стран с обязательным привлечением специалистов Республики Казахстан.
Производственные и технические мероприятия направлены на совершенствование структуры производства с точки зрения энергосбережения.
Экономические. Исторически энергетика составляет около 5% мирового ВНП, в то время как инвестиции в энергетику составляют около 15% общемирового показателя. Мировые инвестиции в энергосистемы ожидаются в количестве около 30 трлн. долл. В перспективе потребуется гораздо большее привлечение местного капитала и создание совместных предприятий. Это потребует радикальных перемен в местных организационных структурах, рынках, обучении и управлении энергетикой, если локальные международные финансы будут возрастать и проникать в энергетическое инвестирование, особенно в развивающемся мире и странах переходного периода. По имеющимся прогнозам, предполагается, что к 2020 году современный мировой уровень инвестирования в сектор энергопроизводства, который составляет 450 миллиардов долларов США в год, повысится до, возможно, 750 миллиардов в год, из которых почти половина будет приходится на долю производства электроэнергии. Поддержать такой уровень инвестирования, исходя из традиционных источников финансирования энергетики, не представляется возможным. Произошло изменение источников финансирования энергетики. В первой половине 1990 года произошло существенное увеличение объема частных инвестиций в развивающихся странах, которое не всегда направлялось на создание нового потенциала, а скорее для закупки имеющегося потенциала. Поиск новых источников финансирования привел к началу компании приватизации в энергетическом секторе в целях привлечения нового капитала.
За 10 лет (после кризиса 70-х годов) благодаря введению энергосберегающей политики США уменьшили потребление энергоносителей на 65, Англия на 20, Германия на 21, Франция на 30 млн. тонн условного топлива, при этом развитие производительности и энерговооруженность значительно увеличились.
В качестве примера рассмотрим организацию энергосбережения в Японии.
В Японии после первого нефтяного кризиса в 1972 г. были приняты энергетические меры по энергосбережению. Они привели к снижению на 35% удельного энергопотребления на единицу валового национального продукта. Однако с 1984 по 1992 г. энергопотребление увеличилось в среднем на 3,1% в год. Это вынудило японское правительство пересмотреть в 1993 г. «Закон по энергосбережению».
Меры, которые должны способствовать рационализации энергоиспользования, определяет Министерство международной торговли и промышленности (MITI).
1) Нормирование. Это изменение стандартов нормативов для предприятий по использованию энергии, касающихся рационального сжигания топлива, рационализация систем отопления, сокращения теплопотерь, использования сбросного тепла.
Например, все строительство, от крупного промышленного до частного жилья, должно соответствовать стандартам, определяющим предельные теплопотери, коэффициенты энергопотребления такого оборудования. Автомобиль массой менее 702 кг должен тратить на 100 км пробега не более 5,2 л бензина, а массой 1000кг – не более 6,1 л.
Контролируется расход энергии на привод магнитных дисков компьютеров. Для осветительных приборов предел энергопотребления люминесцентных ламп с 2000 г. устанавливается в 62 Лм/Вт.
2) Управление. С руководителями предприятий, которые допускают грубые нарушения в области энергосбережения, производятся консультации, разрабатываются соответствующие планы, выполнение которых обязательно.
Руководители предприятий обязаны назначить одного или нескольких менеджеров (в зависимости от масштабов предприятия), которые, в отличие от главных энергетиков, занимаются только рационализацией энергопотребления. Последние отвечают за экономное, рачительное использование всех видов энергии на предприятии в соответствии с нормативными требованиями и представляют в MITI подробные отчеты по эффективности энергоиспользования. Энергоменеджеры также обязаны получить для предприятия лицензию в Центре по энергосбережению. В Казахстане на предприятии энергосбережением занимается главный энергетик, у которого времени хватает только на проведение текущих вопросов эксплуатации, ремонта и формального написания отчетов по мероприятиям энергосбережения.
Сотрудники предприятий проходят аттестацию по энергосбережению. Средний процент ежегодного прохождения аттестации инженеров по теплоснабжению составляет 30%, инженеров по электроснабжению – 22%.
Крупные предприятия, имеющие необходимое контрольное оборудование, проводят энергоаудит самостоятельно. По их просьбе Центром по энергосбережению могут проводится более детальные платные энергоаудиты. На малых и средних предприятиях (с числом работающих менее 300 человек) эти процедуры проводятся бесплатно.
3) Самоконтроль. Проблемой рационализации производства, в том числе снижения энергоемкости, занимаются на предприятиях, как правило, не только энергоменеджеры, но и работники, непосредственно связанные с процессом производством. Они объединяются в небольшие группы контроля качества, насчитывающие 5-10 человек, и организуют обсуждения, сбор и анализ информации, формируют пути решения задач и их практической реализации. На совещаниях групп рассматриваются конкретные предложения по снижению затрат на всех участках производства. На выполнение энергосберегающих мероприятий в обязательном порядке выделяются средства. Обычно результат этой работы – ощутимый экономический эффект при небольшом объеме инвестиции. Например, в нефтеперерабатывающей компании «Космо Ойл» существует более 200 групп, предлагающих ежегодно более 400 усовершенствовании экономический эффект при этом в несколько раз превышает объем средств, затраченных на внедрение этих разработок в производство.
Одним из примеров рационализации энергопотребления является создание комбинированной системы внутризаводского производства потребления электроэнергии, применяемой на предприятиях компании «Космо Ойл». Наряду с электроэнергией, получаемой от местной энергетической компании, предприятия имеют собственные источники – газотурбинные установки различной мощности. Специалисты компании подсчитали, что вырабатываемая собственными ТЭЦ энергия в 10 раз дешевле для предприятий, чем энергия, получаемая от сети. Кроме кого, таким путем повышается надежность энергоснабжения. Преимущества комбинированного принципа энергоснабжения во взаимостраховке: при выходе из строя внутризаводской системы производства энергии технологическое оборудование снабжается электроэнергией от сети. При невозможности потребления энергии от сети оборудование работает за счет энергии заводских электрогенераторов.
Предпринимаемые меры позволили Японии значительно снизить энергоемкость производства, которая сегодня в 6 раз ниже, чем в США. В себестоимости продукции, производимой в Японии, затраты на топливно-энергетические ресурсы составляют 6-7%.
Метод предельного энергосбережения
Наибольшее распространение получила методология, направленная на предельно высокие уровни энергосбережения и на создание систем с наиболее высокими энергетическими характеристиками и получившая название метод предельного энергосбережения.
Предельно полная экономия топливно-энергетических ресурсов страны может быть выявлена на основе анализа работы комплексов и на базе мероприятий интенсивного энергосбережения.
Метод предельного энергосбережения – это методология поиска наиболее низкого уровня общих затрат первичных топливно – энергетических ресурсов на переработку исходного сырья и материалов в товарный продукт.
Решение задач создания энергосберегающих установок и систем на базе метода предельного энергосбережения основано на одновременном решении задач создания материалосберегающих и экологически совершенных установок и систем.
Формируемая методология поиска энергосберегающих систем состоит из 3 разделов:
- энергосберегающая технология;
- энергосберегающие схемы оформления технологии;
- энергосберегающее оборудование.
Технологические мероприятия, к числу которых можно отнести, например, использование альтернативного сырья меньшей энергоемкости, применение маловодных теплотехнологических операций, обеспечение непрерывности технологических операций и безотходности технологии, предельно глубокой технологической регенерации теплоты и высокого качества продукции, формируют энергосберегающую технологию - крупнейший для многооперационных технологий резерв экономии топливно-энергетических ресурсов. Однако для их реализации требуются нетривиальные энергетические, теплотехнические и технические решения.
Энергосберегающими схемами оформления технологии являются схемы технологических объектов и энергосберегающие источники энергии. В число энергетических мероприятий, помимо традиционных, входит широкий круг новых (использование нетрадиционных источников энергии).
Группа технических мероприятий предусматривает применение энергосберегающего технологического оборудования нового поколения.
Такой комплекс критериев оценки энергетической эффективности должен применяться не только для отдельных установок, но и для крупных замкнутых энергосистем и комплексов.
На рисунке 5.1 показано процентное соотношение расходования (потребления) всех добываемых ТЭР
Рисунок 5.1 - Соотношение расходования (потребления) всех добываемых ТЭР
В целом при определении первоочередности мероприятий энергосбережения потребление энергоресурсов необходимо разбить на составные части, и определить, в какой из частей потребляется и теряется максимальное количество ТЭР. Затем в каждой из частей необходимо определить максимальное потребление, потери энергии и выбрать основные направления энергосбережения.
Как видно из рисунка 30-40%, ТЭР теряется при добыче, хранении и транспортировке. Считая оставшиеся энергоресурсы за 100%, можно увидеть, что 40% - потребляется на электрических станциях, 10% - в котельных и 50% - непосредственное использование топлива (включая домашние печки, транспорт и др.)
Таким образом, максимальную выгоду можно получить, снижая энергозатраты на добычу энергоносителя.
Глава 6. Энергосбережение при добыче топливно-ресурсов
Экономическая эффективность энергосбережения настолько велика по сравнению с наращиванием добычи и производства энергоресурсов, что ее реализация позволит одновременно решить проблему обновления и модернизации основных фондов, экологические и социальные проблемы и создаст условия для увеличения добычи и производства топлива и энергии, если это потребуется в более отдаленной перспективе. При 1 т условного топлива, сэкономленного у потребителя, равноценна добыче (производству) 1,3 т условного топлива.
В погоне за высокими уровнями производства нефти, угля, газа и электроэнергии часто упускаются вопросы обновления основных фондов и решения экологических проблем.
В таблице 6.1 по данным [1] приведен баланс мирового потребления топлив и его прогноз до 2020 г.
Таблица 6.1 - Баланс мирового потребления топлив
Годы
Топливо |
Миллион тонн условного топлива |
|||
1990 |
2000 |
2010 |
2020 |
|
Уголь |
3142 |
3610 |
4199 |
5645 |
Нефть |
4582 |
5455 |
6346 |
7665 |
Природный газ |
2422 |
2605 |
2813 |
4035 |
Прочие |
1767 |
1650 |
1533 |
1629 |
Итого |
11913 |
13320 |
16803 |
21466 |
Как видно из таблицы 6.1, потребление угля в 2020 году может возрасти на 56% по сравнению с 2000 г. Увеличение доли угля в топливном балансе требует в свою очередь разработки и внедрения энергетически эффективных и экологически чистых технологий по его добыче и использованию.
Рассмотрим некоторые мероприятия при добычи топливно – энергетических ресурсов.
1) Энергосбережение при добыче угля. Подавляющее число долгосрочных прогнозов мирового топливного энергетического баланса (ТЭБ) подтверждали, что уголь остаётся наиболее значительным из доступных, не возобновляемых источников энергии до 2050 года. По данным [9] мировые запасы угла оцениваются в 1 триллион тонн. При современном уровне потребления этих запасов хватит на 250 лет. Для сравнения: природного газа хватит на 65 лет, а нефти - на 45 лет. Мировое потребление угля возрастает примерно на 2% в год и при этом цены на уголь, в отличие от нефти и газа, отличаются высокой стабильностью [1].
Уголь является одним из основных источников электроэнергии. Более 38% электроэнергии в мире вырабатывается на угле. Только в США установленная мощность пылеугольных ТЭС составляет 250 миллионов кВт. В 1998 г. на этих ТЭС сожгли 854 млн.т. угля, а доля угля в производстве электроэнергии достигла 57%.
Кроме того, продолжающийся рост мирового энергопотребления и в первую очередь наиболее ценных видов углеводородного топлива - нефти и газа, и наметившееся при этом истощение их ресурсов заставляют ученых рассматривать уголь, разведанные запасы которого существенно превышают запасы нефти и газа, ведущим сырьевым источником в теплоэнергетике и химической промышленности.
В то же время, значительные проблемы представляют техногенные месторождения (ТМ) результат технологической деятельности человека, приводящей к скоплению отходов горного, металлургического и химического производства. К ним относятся отвалы, терриконики, хвостохранилища, вскрышная горная масса и пр., а также бросовые и некондиционные участки шахтных полей, рудных залежей и пр. ТМ являются объектом вторичной технологической переработки и получения стратегически ценных продуктов – различных редких, рассеянных и благородных металлов и других элементов (германия, галлия, таллия, индия, селена, теллура, золота, серебра и др.).
На многих рудных и угольных местонахождениях оставлены громадные запасы полезных ископаемых – законсервированные в прошлом некондиционные потери и пр. Все эти запасы являются следствием прямого и косвенного антропогенного воздействия на природные минеральные ресурсы. Переработка их сопряжена с проблемами повторной отработки в условиях повышенного экологического риска.
Большую опасность представляет затопление шахт при их ликвидации. В Карагандинском бассейне по проекту в 1995-1997 гг. были затоплены шахты «Топарская», «Чурибай-Нуринская», «Молодежная», «Майкудукская» и др. На отдельных шахтных полях («Иопарская», «Молодежная» и др.) уже наблюдаются геодинамические проявления в зоне крупных тектонических нарушении (мелкочастотные землетрясения, провалы, образование загрязненных водоемов и др.) Бросовые участки и шахтные поля становятся непригодными к разработке и эксплуатации. Наносится большой ущерб – экологический и экономический. Аналогичные проявления наблюдались после затопления рудников «Миргалимсайский», «Атасуйский» и др.
В этой связи, развитие и совершенствование экологически безопасных и безотходных технологий и методов разработки месторождений полезных ископаемых должно базироваться на современных достижениях научно-технического прогресса в горнодобывающих отраслях промышленности и определяется следующими направлениями:
- безотходно – селективные технологии подземной добычи полезных ископаемых, обеспечивающие комплексное использование недр и эффективное управление качеством руд;
- экологически безопасные и ресурсосберегающие технологии и методы разработки рудных месторождений;
- нетрадиционные технологии добычи угля, а также геотехнологические методы и бесшахтные технологии извлечения углеводородных ресурсов;
- комплексная разработка техногенных месторождений.
Экологически безопасные технологии разработки предусматривают эффективное подавление и нейтрализацию вредных газов (как природных, так и выделяющихся в процессе ведения горных работ). Эти технологии связаны в основном с разработкой:
а) пожаро- и газоопасных рудных тел и залежей, содержащих природные токсичные газы (сероводород, сернистый ангидрид);
б) сейсмо- и взрывоопасных выемочных участков и блоков рудных месторождении. К ним относятся месторождения Миргалимсай, Ачисай, Текели, Шалкия и др., а также угольные Экибастуз, Карагандинский бассейн и др.
Кардинальное решение проблем ресурсосбережения и экологизации разработки угольных месторождений – это переход на бесшахтные, т.е. геотехнологические методы добычи полезных ископаемых.
Научно-техническая концепция создания бесшахтной технологии основана на синтезе новых экспериментально изученных, испытанных и обоснованных результатами фундаментальных исследовании физических и физико-химических процессов в сочетании с существующими, активизирующие и преобразующие в кондиционные агрегатно-подвижные состояния газо-угольные пласты.
Бесшахтная технология (БТ) разработки газо-угольных пластов – это новый геотехнологический метод комплексной разработки газо-угольных месторождении, при котором через систему пробуренных с поверхности скважин постадийно извлекаются углеводородные ресурсы в технологически кондиционных агрегатно-подвижных состояниях. БТ, основанная на принципах многостадийного геотехнологического освоения газо-угольного пласта, реализуется в следующей последовательности:
- На 1-ой стадии технологии БТ – интенсификация извлечения природного газа метана, а также обоснование параметров технологии добычи кондиционного метана с содержанием более 95% при дебите 4,5 м/мин и более;
- На 2-ой стадии – микроструктурное преобразование пласта с последующим физико-химическим воздействием на него и преобразованием угля и углеводородных ресурсов в агрегатно-подвижное состояние;
- На 3-ей стадии – преобразование и использование неорганических остатков угольного пласта.
Областью эффективного применения скважинной геотехнологии добычи метана с использованием газо-добычного комплекса являются также техногенные (бросовые) участки шахтных полей шахт «Казахстанская», «Стахановская» и др., а также запасы Тентекской мульды, шахтного поля «Саранской – Глубокой».
Геологическая изученность запасов газа-метана в угольных пластах Карагандинского бассейна за последнее десятилетие доведена до уровня, при котором метан может рассматриваться как попутное полезное ископаемое, залегающее в недрах совместно с углем, т.е. газо-угольный пласт.
Основное количество запасов метана (81%) приходится на глубины залегания от 300 до 1500 м., вполне доступные для промышленного освоения.
Подземная газификация может происходить за счет медленного распространения фронта горения по пласту и удаления образовавшихся газов через специальные скважины.
Другой способ заключается в том, что в пробуренные до угольного пласта скважины опускался плазмотрон, через который подавался воздух и водяной пар, а образующийся синтез газ извлекался на поверхность.
В настоящее время первый способ находится в стадии опытно-промышленных испытаний, а использование плазменных установок оказалось не рентабельным.
Дополнительным действиями энергосберегающей политики в угольной промышленности является использование при ликвидации шахт, рудников, выработанных пространств, подземных выработок и др. пустот для хозяйственных и промышленных нужд (бункеры, склады, коллекторы, хранилища, бомбоубежища, подземные гаражи и прочее).
2) Экономия при добыче нефти. Открытие новых крупных месторождений за последние 30 лет резко сократилось. Более того, в связи с перемещением работ в районы с более сложными горно-геологическими условиями при разработке нефтяных месторождении резко возросли затраты на их освоение, началось систематическое падение уровня добычи нефти.
В настоящее время общепризнанным стал факт, что технологически эффективным способом повышения нефтеотдачи является закачивание в нефтяные пласты диоксида углерода. Этот способ применяется в ряде стран, но наибольшее распространение о получил в США, где с помощью разветвленной сети трубопроводов диоксид углерода транспортируется на многие нефтяные месторождения, при этом длина отдельных участков трубопроводов достигает 1200 км (штат Техас). В отличие от любых других газов диоксид углерода прекрасно растворяется в нефти, в том числе в ее тяжелых сортах. При этом объем нефти увеличивается в 1,4 раза и более, что приводит к росту нефтенасыщенности в прискважинной зоне. Кроме того, резко, в десятки раз, снижается вязкость нефти, что способствует не только существенному увеличению дебита скважин, но и восстановлению истощенных месторождении, а также росту коэффициента извлечения нефти.
Закачка СО2 в нефтяные пласты позволяет довести коэффициент извлечения нефти до 86-94%, в то время как современный уровень составляет в среднем 28%. Как показывают расчеты, удельные капитальные вложения на среднегодовой прирост добычи нефти при применении этой технологии не превышает 118 долл. США на 1 т., а при освоении новых месторождении (по выполненным в последнее время проектам) они находятся в пределах 970-7260 долл. на 1т.
Представляет интерес вовлечение сжигаемых в открытых факелах вторичных энергоресурсов в производство энергии. В таблице 6.2 представлено содержание различного рода энергоносителей.
Таблица 6.2 - Содержание различного рода энергоносителей
Соотношение топлива |
|||||
Уголь |
Нефть |
Газы (природные) |
Газы (доминного производства) |
Отходящие газы |
Ваграночные газы |
С от 6,2– 92% |
С 84,7-95,3 |
СН4, С2Н6, С4 – 10
N2 – 26,8-36,1 - 0 – 3,6 |
СО 25 – 30% 3Н2 0,1-0,3 Н2 8,-15,5
Ферросплавов СО 72-94% СН4+Н 5,2-14,5% |
SO2 0,25%-0,4 |
CO2 9-12% |
N2 от 0,4-2,9% |
N2 + О2 0,1-1,5 |
O2 1,5-9,3 |
CO 8-25% |
||
O2 от 0,7-29% |
S 0,43-3,2 |
CO2 18-31 |
O2 1-8 |
||
S от 0,3-5,7% |
H2 9,6-11,0 |
H2O 0,4%-4 |
SO2 0,8х10-6 кг/м3 |
||
H2O от 6,7-58% |
V 0,000-0,027 |
CO 0,002-0,15 |
Н2 0,6% |
||
|
|
N2 – 80% |
Пыли 13х10-3 кг/м3 |
||
|
|
CO2 NO2 SO3 SO2 – 19,7% |
N2 48% |
Такое комплексное решение проблемы обеспечивает:
- вовлечение в топливо энергетический баланс ныне сжигаемых в открытых факелах вторичных горючих энергоресурсов в виде попутных нефтяных газов, которые не только бесполезно уничтожаются, но и загрязняют окружающую среду.
- использование СО2 для закачки в нефтяные пласты в качестве эффективного реагента с целью существенного повышения нефтеотдачи и коэффициента извлечения нефти,
- закачку вместо воды азота для поддержания пластового давления в обводненных пластах и эксплуатации их в оптимальном газонапорном режиме,
- возможность автономного энергоснабжения с получением преобразованных энергоресурсов по ценам существенно ниже рыночных,
- сокращение штрафных санкции за загрязнение окружающей среды.
Во всех случаях полезного использования СО2 результирующая экономическая эффективность ЭкоТЭС оказывается существенно более высокой, чем у обычных ТЭС, а сроки окупаемости капиталовложении намного ниже.
О потенциальных возможностях рассматриваемой технологии можно судить по следующим обобщенным данным.
На основе имеющихся ресурсов попутного газа можно ежегодно вырабатывать 42-55 млрд. кВтч электроэнергии для реализации в виде товарной продукции внешним энергопотребителям. Суммарная мощность энергоустановок может составить 5,25-6,8 млн. кВт.
Для обеспечения автономного энергоснабжения потребуется построить 210-270 малых транспортабельных унифицированных энергоблоков единичной мощностью 3-25 МВт.
Наряду с электроэнергией на указанных энергоблоках ежегодно будет производиться 26,4-34,2 млн. т. СО2 с чистотой 95-100%, закачка которого может обеспечить среднегодовой прирост добычи нефти в объеме 90-120 млн. т (без учета дополнительных возможностей за счет использования азота и карбонизированной воды).
Полные капиталовложения на реализацию всей программы составят 7,8-10,2 млрд. долл. США. При этом рыночная стоимость дополнительно получаемой ежегодно продукции составит 14,5-19,3 млрд. долл. (при рыночной стоимости нефти 22 долл. за баррель и стоимости реализованной внешним потребителям электроэнергии 7 центов за 1 кВтч).
Помимо указанных результатов обеспечивается и решение крупной экологической проблемы, связанной с прекращением весьма значительных выбросов в атмосферу вредных соединении и опасных для климата Земли парниковых газов.
На поздней стадии разработки нефтяных месторождении основными объектами являются пласты с трудно извлекаемыми запасами нефти. Для таких пластов характерным является опережающее обводнение высоко проницаемых пропластков, образование обширных промытых зон, целиков нефти.
В этой связи, энергосберегающими технологиями направленными на увеличение извлечения нефти являются потокоотклоняющие технологии.
Потокоотклоняющие технологии направлены на регулирование заводнения, ограничение водопритока, вовлечение в разработку пропластков с трудно извлекаемыми запасами нефти, выравнивание профиля приемистости в нагнетательных скважинах в неоднородных пластах нефтегазовых месторождений и, в конечном итоге, повышение нефтеотдачи пластов.
С целью выравнивания приемистости и перераспределения фильтрационных потоков хорошо зарекомендовали себя технологии СПС (сшитых полимерных систем) и ВЭДС (водных эмульсионно-дисперсных систем), разработанные в компании «ОТО».
На нефтяных месторождениях Казахстана эти технологии применяются с 2000 года, что позволяет направлено регулировать заводнение пластов с ограничением водопритоков в добывающие скважины, повышать нефтеотдачу пластов, что приводит к значительной дополнительной добычи нефти. Сшитые полимерные системы на основе водорастворимых полимеров акриламида «технология СПС» представлены на рисунке 6.1.
Рисунок 6.1 (1,2) – Последовательность операций технологии спс и спс с наполнителем
Рисунок 6.1 (3,4) - Последовательность операций технологии спс и спс с наполнителем
Технология повышения нефтеотдачи пластов с применением сшитых полимерных систем направлена на:
- перераспределение фильтрационных потоков по площади и разрезу обрабатываемого участка;
- сдерживание прорывов вод из нагнетательных в добывающие скважины;
- подключение в разработку трудноизвлекаемых запасов из зон с пониженной проницаемостью.
Технологический эффект не менее 2000 тонн на 1 обработку. Продолжительность эффекта от 6 до 12 месяцев.
Одной из наиболее актуальных задач в процессе разработки нефтяных залежей является интенсификация добычи нефти. С этой целью компания «ОТО-ПРОМ» применяет две группы методов: физических и химических, а также их комбинации.
Химические методы: многокомпонентные кислотные составы (МКС) КПАС СКС МКС
Физические методы - применение струйных насосов – гидро- и гидрокислотный удар - электрогидравлическое воздействие.
Применение методов интенсификации добычи нефти позволяет:
- произвести очистку прискважинной зоны от кольматантов;
- увеличить приемистость нагнетательных скважин;
- увеличить продуктивность добывающих скважин.
Основными достоинствами применяемых технологии является:
- относительная простота и дешевизна по сравнению с получаемыми результатами;
- замедленная реакция применяемых смесей кислот с породой;
- глубокое проникновение композиции в пласт;
- увеличение очистки при забойной зоны за счет введения в составы ПАВ и растворителей АСПО.
Многие технологии по интенсификации добычи нефти находятся в стадии внедрения на месторождениях Казахстана. Но уже полученные результаты позволяют прогнозировать их самое широкое применение в ближайшее время.
Рисунок 6.2 -Закачка многокомпонентного кислотного состава (мкс)
Кислотные составы технологии КПАС применяются для обработки призабойной зоны пласта с целью интенсификации добычи нефти и увеличения нефтеотдачи (см. рисунок 6.2). Закачивание КПАС в продуктивные пласты направлена на:
- повышение охвата пласта заводнением методом перераспределения фильтрационных потоков закачиваемых вод и выравнивание фронта вытеснения;
- очистку прискважинной зоны от кольматирующих материалов для улучшения (или восстановления) фильтрационно-емкостных свойств;
- увеличение приемистости (продуктивности) скважины;
- увеличение нефтеотдачи пласта и интенсификации добычи.
Удельный технологический эффект до 900 тонн на 1 обработку. Продолжительность эффекта от 5 до 12 месяцев.
Область применения совмещение физико-химического и волнового воздействия:
- технология применяется при освоении скважин из бурения, вывода из длительного бездействия, во всех случаях осложнения эксплуатации добывающих и нагнетательных скважин, где отмечается низкая эффективность традиционных методов ОПЗ в сложных геолого-промысловых условиях;
- технология электрогидравлического воздействия на призабойную зону добывающих и нагнетательных скважин «технология ЭГВ».
Рисунок 6.3 - Схема работ на скважине с установкой для создания электрогидравлического эффекта
Технология электрогидравлического воздействия ЭГВ (см. рисунок 6.3) относится к малозатратным технологиям, не требующая применения большого количества химреагентов, длительной работы бригады капитального ремонта, проведения сложных операции в скважинах. Данная технология применяется для проведения работ по интенсификации добычи нефти в добывающих скважинах и увеличению приемистости в нагнетательных скважинах. В качестве активной технологической жидкости используются водный раствор РДН-0 концентрация рабочего раствора РДН-0 составляет 2-10% (в среднем 5%). Технология ЭГВ направлена на разрушение кольматационного слоя локальными импульсами высокого давления в зоне перфорации и интервале открытого забоя, полученных в результате многократных электроразрядов.
Следующим энергосберегающим действием, применяемым при добыче нефти, является создание малотоннажных установок и минизаводов, предназначеных для работы непосредственно в местах добычи нефти, на малодебитных и отдаленных скважинах, а также в районах крупных потребителей нефтепродуктов (ТЭЦ, котельные и др.).
Применяемая технология обеспечивает полную переработку нефти и производство следующих видов продукции:
- автомобильного бензина с октановым числом не ниже 76;
- дизельного топлива летнего или зимнего мазута.
Выход продукции зависит от состава нефти и комплектации минизавода.
Для повышения октанового числа (04) бензина используются присадки.
Малотоннажные установки выпускаются в комплектно-блочном исполнении производительностью от 5 до 20,0 тыс. т/год по товарной нефти, минизаводы - в модульном исполнении производительностью от 30,0 до 200,0 тыс. т/год. Вид и технологическая схема установки представлены на рисунке 6.4.
Рисунок 6.4 - Вид и технологическая схема малотоннажной установки
В состав минизаводов входят: печь, ректификационные колонны, теплообменники, холодильники, насосы, комплект оборудования операторной. На малотоннажных установках нагрев сырья осуществляется индукционным методом в кубовой части колонн. Предусмотрена диспетчеризация управления и контроль технологических параметров процесса с использованием АСУ ТП
Установка может включать дополнительные модули: модуль подготовки нефти, модуль облагораживания бензина, модуль получения битума и мастик, модуль демеркаптанизации нефтепродуктов, модуль по получению базового масла. В технологическом цикле полностью обеспечены все нормы.
В) Экономия при добыче газа. Доказанные запасы газа в странах, постоянных участницах форума стран экспортеров газа (ФСЭГ), представлены в таблице 6.2.
Энергосберегающая политика при добыче газа состоит в:
1) перевозке сжиженного газа к местам его потребления. Поскольку перевозка сниженного газа самый дешевый способ транспортировки;
2) применении энерготехнологических установок для подготовки и переработки углеводородного сырья в факелах.
При добыче нефти и газа по различным технологическим причинам сжигаются на факелах низкопотенциальные углеводороды, имеющие давление порядка 0,11-0,40 МПа. С целью снижения или полного исключения сжигания на факелах таких углеводородов предлагается использовать их в энерготехнологических установках с получением твердого углерода, тепловой и электрической энергии.
Таблица 6.2 - Доказанные запасы газа в различных странах
№ |
Страна |
Запасы газа |
1. |
Россия |
48.0 трлн.м3 |
2. |
Иран |
26.6 трлн.м3 |
3. |
Катар |
25.8 трлн.м3 |
4. |
ОАЭ |
7.49 трлн.м3 |
5. |
Нигерия |
5.0 трлн.м3 |
6. |
Алжир |
4.55 трлн.м3 |
7. |
Венесуэла |
4.1 трлн.м3 |
8. |
Индонезия |
2.76 трлн.м3 |
9. |
Малайзия |
2.4 трлн.м3 |
10. |
Тринидад и Тобаго |
2.0 трлн.м3 |
11. |
Боливия |
2.0 трлн.м3 |
12. |
Египет |
1.8 трлн.м3 |
13. |
Ливия |
1.49 трлн.м3 |
14. |
Оман |
90 млрд.м3 |
15. |
Бруней |
315 млрд.м3 |
16. |
Экваториальная Гвинея |
200 млрд.м3 |
Тепловая и электрическая энергия используется на технологические нужды и может быть реализована сторонним потребителям. Получаемый твердый углерод (кокс и сажа) является ценным сырьем для химической и фармацевтической промышленности, машиностроения и авиации. Твердый углерод при неопределенно долгом хранении не разлагается и не загрязняет окружающую среду.
Экспериментальные исследования процесса получения твердого углерода при неполном сжигании углеводородов выполнялись на установках, оборудованных горизонтальным и вертикальным реакторами. Реакторы имеют внутренний диаметр 800 мм и длину 4000 мм. В качестве углеводородного сырья использовался нефтяной газ, содержащий 60 – 70% об СН4 и 11 – 14% об С2Н6 – С6Н14 и природный газ, состоящий из 93-94% об СН4 и 5 – 6% об С2Н6-С5Н12. Коэффициент избытка воздуха во время исследований изменялся от 01, до 8. В реакторе поддерживалась температура 1100 – 1200 0С. Минимальное время нахождения продуктов сгорания в реакторе достигало 8-10 с. Количество образовавшегося пироуглерода возрастает с увеличением содержания компонентов С3Н8+В. В системах сбора, подготовки и переработки углеводородного сырья был разработан ряд энерготехнологических установок для применения на месторождениях.
Глава 7. Энергосбережение при сжигании топлива
Процесс сжигания любого вещества сводится к его окислению. Например, сжигание углерода описывается уравнением:
. (7.1)
Теплоту сгорания угля можно определить по известной формуле Менделеева :
(7.2)
где С, Я, О, S W - содержание (масс. %) в рабочей массе угля углерода, водорода, кислорода, серы и влаги соответственно.
Как видно из уравнений, для лучшего протекания процесса горения частицы вещества должны взаимодействовать в атомарном состоянии. Поэтому твердые вещества (уголь) необходимо измельчать, жидкие – распылять, а наиболее эффективно использовать вещества для горения в газообразном состоянии.
Твердое топливо. На всех тепловых электростанциях, использующих твердое топливо, строят мельницы, которые превращают уголь в пыль. Такая мельница представлена на рисунке 7.1
Рисунок 7.1 – Мельница на тепловой электростанции
Сжигание непроектных низкосортных углей в пылеугольных котлах представляет значительные трудности, поскольку низкое качество топлив отрицательно влияет на характеристики процесса воспламенения, стабилизации горения факела и процесса выгорания топлива и, кроме того,
существенно снижают эколого-экономические показатели ТЭС, вследствие выброса вредных газов (NOx, SOx, CO) и летучей золы.
Ситуация обостряется в связи с тем, что снижение качества энергетических углей требует увеличения расхода мазута или природного газа на пылеугольных ТЭС для растопки котлов, подсветки факела и стабилизации выхода жидкого шлака в топках с жидким шлакоудалением [12,13]. Например, в таких странах, как Россия, Казахстан, Украина и др. на пылеугольных ТЭС ежегодно расходуют более 15 млн.т. мазута, что экономически неэффективно.
В настоящее время основным топливом многих ТЭС Казахстана и стран СНГ являются низкосортные забалластированные золой угли, добываемые открытым способом. Они обладают высокой зольностью, влажностью и низким выходом летучих. Непосредственное сжигание таких углей в существующих топочных устройствах связано со значительными трудностями из-за ухудшения воспламенения и выгорания топлива, увеличения вредных пылегазовых выбросов (золы, оксидов азота и серы).
Для оптимального использования угля необходимо знать и учитывать его химическое строение.
Как известно, уголь является естественным продуктом медленного разложения органических веществ, в основном растительного происхождения в природных условиях. Возраст угля определяется степенью его метаморфизма (углефикации), которая возрастает в ряду: торф → бурый уголь → пламенный уголь → газопламенный уголь → газовый уголь→ жирный уголь → кузнечный уголь → тощий уголь → антрацит.
Основными химическими элементами угля являются углерод, водород, кислород, сера и азот. Кроме этого, уголь можно представить в виде следующих составных частей: связанный углерод (С) + зольность (Ас) + летучие (V) + влага (W) = 100 %. В таблице 7.1 приведен элементный состав на органическую массу твердых топлив.
Таблица 7.1 - Состав твердых топлив
Тип угля
|
Элементный состав, % |
|
Ас,%
|
|||||
С |
Н |
О |
N |
S |
||||
Торф |
49-60 |
5-8 |
28-48 |
1-4 |
0,1-1 |
80-92 |
70-80 |
|
Бурый уголь |
65-75 |
5-8 |
12-30 |
0,5-2 |
0,5-3 |
8-63 |
43-60 |
|
Пламенный уголь |
75-81 |
5,8-6,6 |
>9,8 |
1-1,5 |
0,5-1,5 |
4-8 |
40-45 |
|
Газопламенный уголь |
81-85 |
5,6-5,8 |
7,3-9,8 |
1-1,8 |
0,6-1,8 |
2,5-4 |
35-40 |
|
Газовый уголь |
85-87,5 |
5,0-5,6 |
4,5-7,3 |
1-1,8 |
0,6-1,8 |
1,2-2,5 |
25-28 |
|
Жирный уголь |
87,5-89,5 |
4,5-5,0 |
3,2-4,5 |
1-1,8 |
0,6-1,8 |
0,8-1,2 |
19-28 |
|
Кузнечный уголь |
89,5-60,5 |
4,0-4,5 |
2,8-3,2 |
1-1,7 |
0,6-1,7 |
<1 |
19-24 |
|
Тощий уголь |
90,5-91,5 |
3,75-4,0 |
2,5-2,8 |
1-1,7 |
0,6-1,7 |
<1 |
12-14 |
|
Антрацит |
>91,5 |
<3,75 |
<2,5 |
1-1,7 |
0,6-1,7 |
<1 |
10-12 |
|
Уголь - сложное природное вещество, поэтому его свойства полностью не предсказываются теорией, а, как правило, описываются эмпирически. В настоящее время существуют отработанные методики определения теплотехнических свойств и элементарного состава углей.
Содержание углерода в угле возрастает с увеличением степени его метаморфизма: от 65% для бурых углей до 91% для антрацитов на органическую массу угля. Содержание водорода в этом ряду снижается от 8% до 4%, а кислорода от 30% до 2%. Содержание азота и серы колеблется в пределах 0,5 - 2% и 0,5 - 3% соответственно, а минеральных составляющих - в широких пределах от единиц до десятков процентов.
Органическое вещество угля представлено в виде битумов, гуминовых кислот и остаточного угля. Битумы из угля могут быть извлечены путем экстракции растворителями. Гуминовые кислоты растворяются в едких щелочах. Остаточный уголь не экстрагируется и не растворяется в щелочах. Наиболее высокое содержание гуминовых кислот в бурых углях. В каменных углях они практически не содержатся.
Органические соединения углей являются в основном высокомолекулярными. Бурые угли содержат много алифатических единений; напротив, каменные угли состоят главным образом из ароматических структур, связанных в крупные молекулы. Доля ароматических атомов углерода в каменных углях увеличивается со степенью углефикации от 80% у пламенных углей до 100% у антрацита. Атомное отношение С:Н для каменных углей низкой степени углефикации составляет 1:1 (как у бензола и метилнафталина), для антрацитов оно увеличивается до 2:1 (как у низкомолекулярного углеводорода коронена С24Н12).
Для более эффективного сжигания угля необходимо производить его очистку, однако это требует дополнительных энергетических затрат и существенно удорожает процесс получения тепла и электрической энергии.
Стремление уменьшить затраты на добычу и максимальное использование низкосортных углей – многозольных, высоковлажных, а также содержащих в своей минеральной части значительное количество компонентов, затрудняет работу топочного оборудования. Очень характерными в рассматриваемом плане являются экибастузские угли, которые, как и карагандинский промпродукт, могут быть использованы в котлах ТЭС и в других теплогенерирующих установках.
Анализ новых способов сжигания твердого топлива, предназначенных для сжигания низкосортных углей, показал, что весьма перспективным является метод низкотемпературного сжигания в кипящем слое.
Перспективность этого метода обуславливается следующими его свойствами:
- интенсивным теплообменом между частицами угля и золы в слое с хорошим перемешиванием, что предопределяет неизменную температуру по всему слою;
- высоким коэффициентом теплоотдачи к погруженным в слой поверхностям нагрева при умеренной температуре 750…950 С, что позволяет около 50% всего тепла снимать поверхностями, расположенными непосредственно в слое и резко уменьшить габариты котлоагрегата;
- низкой температурой горения в слое со снижением интенсивности загрязнения поверхностей нагревания золовыми отложениями и их коррозии;
- уменьшением выбросов SO2;
- возможностью сжигания дробленого угля, что приводит к упрощению системы подготовки топлива;
- возможностью и целесообразностью сжигания в кипящем слое топлива с высоким золосодержанием;
- уменьшением выбросов в атмосферу тонкодиспертных аэрозолей, образующихся за счет возгонки при высоких температурах микроэлементов, присутствующих в минеральной части топлива;
- уменьшением выбросов NOx за счет пониженной температуры горения.
Организация метода сжигания в кипящем слое основана на гранулометрировании состава топлива и выборе соотношения силы тяжести топлива и аэродинамических сил. От факельного метода рассматриваемый отличается аэродинамикой и механикой двухфазного потока.
На рисунке 7.2 представлена схема взаимодействия газового потока с твердой фазой. На дутьевой решетке находится слой твердого топлива, и через дутьевую решетку и слой продувается воздух. В случае, когда размеры частиц топлива и скорость воздуха выбраны так, что сила тяжести частиц больше аэродинамической силы, возникающей при движении воздуха в слое, он лежит неподвижно на решетке, где при соответствующих температурных условиях протекает слоевое горение топлива (см. рисунок 7.2, а).
При нарушении этого условия, возникающем, например, за счет увеличения локальной скорости воздуха, устойчивое залегание частиц также нарушается и могут возникнуть вынос топлива из слоя и нарушение слоевого характера горения.
При повышении скорости дутья через слой, аэродинамическая сила увеличивается и при определенной скорости становится равной силе тяжести, действующей на частицу. При этом произойдет расширение слоя и увеличения порозности, хотя слой остается неподвижным. Наконец, дальнейшее повышение скорости дутья приведет к псевдоожижению. Скорость фильтрации, при которой началось псевдоожижение, называется первой критической скоростью или скоростью минимального псевдоожижения Wmin.
Рисунок 7.2 - Схема взаимодействия газового потока с твердой фазой
Псевдоожижение — это процесс, подобный сжижению, в котором вещество, состоящее из зернистых частиц, переводится из состояния со свойствами, подобными свойствам твёрдой статичесской массы, в состояние со свойствами, подобными свойствам динамической жидкой массы.
Этот процесс происходит, когда жидкость (капельная жидкость или газ) движется вверх через зернистый материал.
При увеличении фактической скорости потока w таким образом, что число псевдоожижения w/wmin>1.0, наступает режим однородного псевдоожижения (см. рисунок 7.2, б) а при дальнейшем увеличении скорости сверх числа псевдоожижения w/wmin=2,0 3,0 происходит неоднородное псевдоожижение , характеризуемое появлением газовых пузырей. Этот режим наблюдается при псевдоожижении газом и отсутствует при ожижении капельными жидкостями. Такие аэродинамические условия применяются в котельной технике для топок с пузырчатыми или стационарным кипящим слоем.
Дальнейшее увеличение скорости газа (см. рисунок 7.2, в) приводит к тому, что при некоторой скорости, которая называется второй критической w, аэродинамическая сила превысит силу тяжести, и начнется массовый вынос частиц из слоя. При увеличении скорости газа сверх второй критической в рассматриваемой системе наступает режим пневмотранспорта твердых частиц, при котором аэродинамические силы намного превышают силу тяжести, действующую на частицу. Для топочной техники эти аэродинамические режимы характеризуют факельные пылеугольные топки с многообразными разновидностями их конструкций.
Следует отметить, что при таком аэродинамическом режиме кипящего слоя организация улавливания и возврата вынесенных частиц в топку образует новую разновидность псевдоожиженного слоя – циркулирующий кипящий слой.
Сжигание твердого топлива в кипящем слое развивалось по двум направлениям :
- в высокотемпературном кипящем слое при температуре слоя 1100 12000 С;
- в низкотемпературном кипящем слое при температуре слоя 750- 9500С.
На рисунке 7.3 представлены принципиальные схемы топок с стационарным и циркулирующим кипящим слоем.
Рисунок 7.3- Принципиальные схемы топок с стационарным и циркулирующим кипящим слоем
На ТЭЦ в г. Дормагене (Германия) была осуществлена реконструкция котла с механической цепной решеткой с переводом его на сжигание в кипящем слое (см. рисунок 7.4). Сжигание твердого топлива в котлах с топками «Игнифлюид» представляет собой 2-ступенчатый процесс горения. В первой ступени, в слое при температуре 1100-12000 С, в восстановительной атмосфере происходит газификация и горение коксового остатка, подаваемого сверху на слой топлива. Вторичный воздух, требуемый для дожигания продуктов газификации, мелочи, а также возвращаемого уноса в топку, подается в топочное пространство над слоем Применение котлов с топками «Игнифлюид» сокращает капитальные и эксплуатационные затраты. Для котлов паропроизводительностью выше 80 100т/ч экономия капитальных затрат достигает 15 20%. Так как в топках «Игнифлюид» сжигается дробленный уголь с размерами частиц 0 20мм, то отпадает необходимость в пылеприготовительном оборудовании.
1- уголь, 2 - известняк, 3 - пар, 4 - котел, 5 –питательная вода, 6 - золоуловитель, 7 - дымовые газы, 8 – летучая зола, 9 - пневматическая подача золы в слой. 10 - частицы кипящего слоя и золы, 11 - воздух для горения, 12 - пневматическая подача угля, 13 - дробление и подсушка топлива.
Рисунок 7.4 - Технологическая схема котла с кипящим слоем
Как было сказано выше, кипящий слой в топочном устройстве формируется при продувке воздуха, равномерно подаваемого посредством газораспределительного устройства – решетки через слой дисперсного материала.
Таким образом, высокозольные угли, имеющие большой процент породы, желательно сжигать в кипящем слое, однако трудность подбора скорости газа и создания аэродинамического режима, называемого кипящим слоем, затрудняют применение этой технологии на практике.
Другой прогрессивной технологией сжигания углей является газификация твердых топлив. Она систематизируются по двуосновным принципам: по состоянию топлива, подаваемого в газификатор, и по способу подвода энергии на осуществление процесса.
По состоянию топлива различают три основных способа газификации твердых топлив: в неподвижном (плотном) слое - способ Лурги, в кипящем слое - способ Винклера и в потоке пылевидного топлива - способ Коперса-этцека. По способу подвода энергии в устройство газификации различают тотермические и аллотермические процессы. При автотермических процессах, тепло необходимое для эндотермических превращений, получают за счет сжигания части введенного в газификатор топлива кислородсодержащими газифицирующими агентами. Примерно 35-40 % угля расходуется на поддержание теплового режима. В аллотермических процессах тепло подводится извне (с помощью твердого или газообразного топлива, шопередачей через стенку) или от внешнего источника энергии радиационный нагреватель, электрическая дуга, лазерный источник).
Принципиальные схемы устройств для трех основных типов автотермической газификации углей показаны на рисунке 7.5.
а - с неподвижным (плотным) слоем; б - с кипящим слоем; в - с пылеугольным потоком. 1 - уголь; 2 - воздух или кислород; 3 - водяной пар; 4 - генераторный газ; 5 - шлак, зола.
Рисунок 7.5 - Принципиальные схемы газификаторов
Однако этот процесс сопровождается большим уносом топлива, особенно при атмосферном давлении (до 20 %). В таблице 7.2 приведены сравнительные характеристики процессов, освоенных в промышленном масштабе
В Казахстане была введена в эксплуатацию газификаторная станция, включающая в себя 4 газификаторов Лурги, работающих под давлением с парокислородным дутьем.
У процесса производства электроэнергия на основе сжигания твердого топлива имеются реальные перспективы выхода на регулярный показатель эффективности более 60-70 % или больше в более долгосрочной перспективе в сравнении текущими 30 % в среднем по всему миру. Резкого повышения эффективности можно достигнуть путем замены самостоятельных процессов производства тепла и энергии комбинированными технологиями производства тепла и энергии.
После успешной демонстрации в конце 1980-х годов возможности применения работающих на угле установок с комбинированным циклом на основе использования спаренных газификаторов угля, был достигнут значительный процесс с коммерческой точки зрения в распространении газификаторов на интегрированном угле комбинированного цикла (CIG/CC)
Таблица 7.2 - Сравнительные характеристики процессов газификации твердого топлива
Показатели процесса |
Способ газификации |
||
Лурги |
Копперс-Тотцек |
Винклер |
|
Давление, МП а |
ДоЗ |
0,1 |
0,1 |
Тип твердого топлива |
Неспекающиеся угли |
Все типы углей, смола, деготь, кокс и др. |
Бурые и каменные угли |
Состав газа, об. % |
|
|
|
СО2 |
34,0 |
11,9 |
19,0 |
СО |
14,4 |
55,9 |
38,0 |
Н |
36,2 |
29,6 |
40,0 |
СН2 |
13,1 |
0,1 |
2,0 |
N, |
1,2 |
2,0 |
1,0 |
Теплота сгорания газа, МДж/нм |
10,89 |
10,11 |
9,82 |
кпд процесса, % |
75-80 |
69-75 |
58-65 |
Получаемые продукты |
Горючий газ (CO+H2+N2+CH4), побочные жидкие продукты и сера |
Сиитез-газ (СО+Н2) и сера |
Синтез-газ (СО+Н2) и сера |
Жидкое топливо. В качестве жидкого топлива в энергокотлах используется мазут. Использование мазута связано с необходимостью решения ряда проблем, возникающих как на стадиях его хранения и подготовки к сжиганию, так и при сжигании. При хранении мазута на дне резервуаров происходит постепенное накопление продуктов отстоя – в основном карбоидов и других твердых частиц, а также тяжелых смолистых осадков. Их накопление не только уменьшает рабочую емкость резервуаров, но и ухудшает работу встроенных в них подогревателей. Продукты отстоя ухудшают прокачиваемость мазута, забивают мазутные фильтры, что ведет к увеличению расхода электроэнергии на привод мазутных насосов, ухудшают распыливаемость мазута, в результате чего возрастает неполнота сгорания топлива, расход распыливаемой среды (пара, сжатого воздуха). Первое ведет к снижению кпд брутто, второе - к снижению кпд нетто.
Неполное сгорание мазута сопровождается образованием сажи, а также экологически опасных веществ, например, бензин-пирена и других полиароматических углеводородов (ПАУ). Сажа, раздающаяся на поверхностях нагрева, ухудшает процесс теплопередачи в котле и может стать причиной пожара в газоотходах.
Содержащиеся в мазуте соединения ванадия снижают температуру плавления золы, что может быть причиной зашлаковывания поверхностей нагрева, расположенных в высокотемпературных зонах котла. При этом снижается КПД котла, и возникают условия для высокотемпературной ванадиевой и ванадиево-натриевои коррозии поверхностей нагрева вплоть до образования свищей при разрушении защитной оксидной пленки на металле.
Образующийся при сжигании мазута пентоксид ванадия (V2О5) является катализатором доокисления одного из компонентов продуктов сгорания мазута SО2 и SОз. Триоксид серы, соединяясь с водяными парами дымовых газов, образует серную кислоту, являющуюся основной причиной низкотемпературной коррозии хвостовых поверхностей нагрева котла.
Для предотвращения всех или большей части вышеуказанных явлений рекомендуется применение специальных присадок, вводимых в мазут при хранении и подготовке к сжиганию. В настоящее время многофункциональные минеральные присадки широко применяются в США и Западной Европе. Так, например, в США более 90% сжигаемого мазута обязательно обрабатываются присадками. Многофункциональные присадки обладают рядом положительных свойств, повышающих эффективность использования мазута. Диспергирующий эффект присадки обусловлен повышением сродства нерастворимых частиц и их смачивания присадкой к органической фазе мазута, вследствие чего предотвращается их оседание. Очищающий эффект создается наличием в присадке полярных молекул, способных образовывать прочную гидрофобную пленку на поверхности металла, защищающую стенки резервуаров и мазутопроводов от коррозии и обеспечивающих их чисто.
Смачивающая способность, присадки уславливается изменением величины поверхностного натяжения на разнице между топливом и металлом. В результате смачивания возрастает тонкость распыливания мазута форсунками. Капля или струя жидкого топлива отрывается от смоченных стенок форсунки, имея меньшие размеры, чем при отрыве от несмоченной присадкой поверхности.
Важным свойством присадки является ее пептизирующее воздействие. Оно способствует более равномерному распределению легко и трудно сгораемых частей мазута в капле. Но в основном эффект пептизации заключается в облегчении разрыва или разрушения ядра капли, состоящего из трудно сгораемых веществ. Подобно катализатору пептизатор в данном случае увеличивает полноту реагирования веществ в реакции горения, что повышает КП сжигания топлива и снижает сажеобразование. Образующаяся при этом зола имеет малую примесь углерода (сажи) и приобретает свойства нейтрализовать действие триоксида серы или подавлять его образование, тормозя окисление диоксида серы.
Таким образом, присадки являются хорошими детергентами, они приостанавливают процесс коагуляции загрязняющих примесей, диспергируют карбоиды и агломераты в мазуте, чем препятствуют образованию вязких осадков в резервуарах и засорению фильтров. Присадки эмульгируют воду, содержащуюся в жидком топливе, и тем самым предотвращают его расслоение в резервуарах снижают их коррозию. Ввод присадок способствует улучшению прокачиваемости мазута по трубопроводам. Смачивание внутренних поверхностей насосов и мазутопроводов вводимыми в мазут присадками, не меняя вязкости мазута, уменьшает трение его о стенки, что в свою очередь снижает расход энергии на перекачку топлива.
Для жидкого топлива значительные преимущество имеет микрофакельное сжигание, которое может обеспечить: низкие гидравлические потери, пониженную неравномерность температурного поля на выходе, увеличение ресурса камеры, уменьшение габаритов камер сгорания и удобной их компоновки, возможность стабильной работы при переменных значениях коэффициента избытка воздуха, низкую токсичность продуктов сгорания при высоких форсировках огневой зоны.
Принципиальной новизной топливосжигающих устройств с микрофакельным горением жидкого топлива является предварительная подготовка горючей смеси и рассредоточение, секционирование поверхности фронта горения. Отличительной особенностью конструкции является то, что распыление, испарение и смешение топливовоздушной смеси происходит в подготовительной камере, а равномерная раздача горючей смеси осуществляется в одних случаях в радиальном направлении по внутренним каналам стабилизаторов, а в других - через выходные завихрители, расположенные ярусно.
Другим способом является предварительная подготовка горючей смеси или же помещение в топку твердых тел, являющихся распылителями и интенсифицирующими теплообмен между факелами и тепловоспринимающей поверхностью за счет турбулизации уходящих газов и смеси топлива.
Поток результирующего излучения между излучателем и лучевоспринимающей поверхностью топки при условии Fизл << Fст в соответствии с методом сальдо можно представить в виде
= (7.2)
где Cизл = С0 е – излучательная способность промежуточного излучателя;
Е – степень черноты излучателя;
С0 – излучательная способность абсолютно черного тела;
Тст – температура поверхности стенки топки.
Экспериментальные исследования влияния промежуточного излучателя на интенсификацию теплообмена в топке и эмиссию NОх были проведены на котле ДКВР-4-13 в условиях промышленной эксплуатации.Для котла ДКВР-4-13, работающего на природном газе, введение в зону горения излучателя с относительной площадью поверхности F=Fизл./Fл= 0,1 и степенью черноты ε = 0,82 приводит к снижению Тmax факела на 50 К и Т"Т, на 13 К. Такое снижение Т", согласно изложенной в методике, должно привести к уменьшению концентрации NОх примерно на 30–40%, что получило удовлетворительное экспериментальное подтверждение.
Из двух типов промежуточных излучателей – металлических стержней, ориентированных горизонтально, и керамических трубок с вертикальным расположением наиболее эффективными оказались последние.
Результаты исследований позволяют сформулировать некоторые рекомендации по использованию промежуточных излучателей в газомазутных котлах малой мощности. При выборе материала промежуточного излучателя следует исходить из того, что должен обладать непрерывным спектром излучения, способным выдерживать длительную эксплуатацию в высокотемпературной окислительно-восстановительной среде. Зона температур, при которой наблюдается образование термических NО, локализована в относительно небольшой области факела – его ядре. Эта высокотемпературная ступенька для газового факела котлов малой мощности в зависимости от производительности горелки составляет 0,2 – 0,5 м. Следовательно, для достижения наибольшей эффективности использования излучателя он должен занимать наименьший объем при относительно развитой поверхности. Этому требованию в наибольшей степени удовлетворяет излучатель, представляющий собой систему стержней или трубок небольшого диаметра, расположенных вертикально относительно оси факела. Вообще же, конструктивное оформление излучателя и его расположение в топочной камере должны определяться для каждого конкретного типа топки индивидуально с учетом ее конструктивных особенностей.
Газообразное топливо. Усилилась роль природного газа в глобальном процессе экономии энергии и одновременно сократилась доля нефти и угля. По имеющимся прогнозам, эта тенденция будет развиваться по следующим направлениям:
1) предполагается, что возобновляемые в конечном итоге традиционные источники природного газа будут такими же значительными, как и возобновляемые в конечном итоге традиционные источники нефти, а разведанные запасы природного газа увеличиваются гораздо быстрее, чем аналогичные запасы нефти;
2) в настоящее время темпы газопотребления быстрее на 58 % темпов потребления нефти. Такой переход к природному газу объясняется его низкой во многих районах мира ценой, его удобством для перевозки в виде сжиженного природного газа (СПГ), а также привлекательностью природного газа с экологической точки зрения и СПГ в качестве топлива. Природный газ имеет самый низкий процент выброса СО2 из всех видов ископаемого топлива и может в целом использоваться более эффективно, нежели уголь.
Это направление нашло использование в виде применения газотурбинных установок (ГТУ).
Принципиальная схема газотурбинной установки и общий вид представлены на рисунке 7.6.
Рисунок 7.6 – Газотурбинные двигатели для привода генераторов
Для эффективного взаимодействия газа и кислорода их молекулы необходимо приблизить друг к другу. Такое приближение осуществляется с помощью сжатия газа в компрессоре и повышения давления в камере сгорания, а значить увеличивается массовый расход топлива и соответственно мощность турбины. Газотурбинный привод турбокомпрессорных агрегатов (ТКА) в системе транспорта углеводородного газа получил широкое распространение. В газотурбинной установке до 24 ступеней лопастей для сжатия газа, а турбина имеет четыре ступени лопастей. Суммарная мощность установок ГТУ исчисляется миллионами киловатт.
Установки простого цикла отличаются небольшими габаритами, малым весом, большой маневренностью и быстрым запуском, допускают использование на передвижных платформах. Такие установки имеют преимущества при использовании в качестве аварийных и пиковых электростанций, а также в качестве стационарных электростанции в местах, где есть дешевое топливо и когда потребителям нужна только электроэнергия.
Температура уходящих газов ГТУ имеет высокое значение (650 К). Максимальный кпд газотурбинной установки составляет 43,7% (реально 36%). Уходящие газы котлов несут около 20% резерва экономии топлива. Например, котлы на природном газе 4-5% теряется с физической теплотой уходящих газов и 10-13% со скрытой теплотой конденсации водяных паров.
В этой связи целесообразно использовать различные способы утилизации теплоты.
Термодинамическая эффективность утилизации теплоты уходящих газов ГТУ может быть достигнута путем осуществления регенеративного цикла, представленного на рисунке 7.7.
Рисунок 7.7 - Регенеративный цикл
Повышение кпд установки растет с увеличением степени регенерации. Поэтому необходимо создавать регенераторы со степенью регенерации m=0,85¸0,9.
Максимальное кпд паровых турбин теоретически составляет 47,3%, однако существующих паровых турбин = 36,3%. Повысить кпд паровых турбин можно за счет использования специальных высокотемпературных материалов, позволяющих повысить температуру перегретого пара до 6000С и давления до 300 Бар сверх критический, кроме того, за счет промежуточных отборов пара и его перегрева. Практически сегодня можно достичь кпд паровых турбин η=41-41,5%.
В районах, имеющих доступ к источникам природного газа и сжиженного природного газа (СПГ), стала по выбору применяться технология термического производства энергии с комбинированным циклом применения газовых или паровых турбин. Это происходит по причине низких издержек на единицу капитальных затрат электростанций, высокого уровня термодинамической эффективности (текущий показатель составляет 50-52 %, может достигнуть 56 %), низкой степени концентрации загрязнителей в атмосферном воздухе (включая окислы азота), исключающих необходимость применения контрольного оборудования, следящего за качеством выбрасываемых в атмосферу дымовых газов, и низкой концентрации СО2 (почти на 3 четверти ниже, чем у современных работающих на угле паротурбинных электростанций).
Цикл ГТУ с паротурбинным контуром (когенерационные установки) и схема его реализации показаны на рисунке 7.8. В связи с тем, что турбокомпрессорные агрегаты с комбинированным приводом (ГТУ+ПТУ) могут быть крупными потребителями технической воды, будем считать, что конденсация водяного пара осуществляется с помощью аппаратов воздушного охлаждения (АВО). При подстройке к циклу ГТУ паротурбинного цикла КПД увеличивается в 1,25 раза. В этом случае при температуре окружающей среды t0=200С температура конденсируемого пара должна быть не менее t3п=600С (р3п>0,02 МПа), а температура газа на выходе из утилизационного котла tа>1000С.
Рисунок 7.8 – Схема ГТУ с паротурбинным контуром (когенерационные установки)
Когенерационные установки предназначены для совместной выработки электрической и тепловой энергии в виде пара или горячей воды. Электрическая мощность соответствует мощности газотурбинных двигателей, а тепловая варьируется выбором теплоутилизирующего контура (паровой, водяной, пароводяной, с дожиганием или без). Такие установки обладают преимуществом в качестве электростанций для промышленных предприятий и коммунальных хозяйств, где есть постоянная потребность в электрической и тепловой энергии в виде пара или горячей воды.
Утилизация теплоты в паротурбинном контуре по термодинамической эффективности уступает утилизации в регенераторе. Однако в большинстве отечественных ТКА в качестве привода использованы авиационные и судовые газотурбинные двигатели с высокой степенью повышения давления. Повышение эффективности авиационных ГТУ возможно путем утилизации теплоты уходящих газов в паротурбинном контуре, которая существенно эффективнее, чем при подаче пара, вырабатываемого котлом-утилизатором, в камеру сгорания ГТУ. Утилизационная установка с паротурбинным контуром конструктивно несколько сложнее установки с подачей пара в камеру сгорания. Последняя, однако, требует наличия источника водоснабжения и эффективной водоподготовки.
В настоящее время разработаны и специализированные установки для выработки электрической и тепловой энергии на базе газотурбинных двигателей. Все установки могут работать на жидком, газообразном, на двух видах топлива или нетрадиционных видах топлива (биотопливо, вакуумный газойль и др.) Использование комбинированного цикла газовой турбины + паровой турбины называется ПГУ. При этом кпд составляет 70% теоретически и 50-60% при соотношении газотурбинного цикла к паровому, как 2:1.
Рисунок 7.9 – Установки комбинированного цикла
Применение аппаратов погруженного горения. В настоящее время возрос интерес к использованию дешевых источников тепловой энергии. Одним из перспективных направлений является применение аппаратов погружного горения (АПГ).
В АПГ осуществляется нагрев или выпаривание капельных жидкостей высокотемпературными продуктами сгорания жидкого или газового топлива, продуваемыми с помощью погружных горелок через раствор. Для АПГ характерен высокий к.п.д. – при расчете по низшей теплоте сгорания он может превышать 100 (т.е. в процессе используется теплота водяных паров из продуктов сгорания топлива). На рисунке 7.13 приведены принципиальная схема и основные элементы конструкции АПГ, используемого для нагрева воды. Попытка широкого промышленного внедрения АПГ была предпринята в СССР в 1975 – 1980 г.г.
Использование аппарата погруженного горения позволяет достичь теплового кпд 85% и даже 100%, поскольку сгорание происходит в среде воды и теплопередача от сгорающих веществ передается воде непосредственно без промежуточных твердых стенок как в паровом котле.
Рисунок 7.10 - Аппарат погруженного горения
Глава 8. Энергосбережение при производстве, передачи и потреблении электроэнергии
Под электроэнергетической системой понимается совокупность взаимосвязанных элементов, предназначенных для производства, преобразования, передачи, распределения и потребления электроэнергии.
Режим системы, т.е. ее состояние в данный момент времени, характеризуется параметрами, определяющими процесс ее функционирования. К таким параметрам режима относятся величины мощностей, напряжений, токов, частоты и т.д. Режимы подразделяются на установившиеся и переходные. При этом обеспечивается приемлемое качество электроэнергии, подводимой к потребителям, которое характеризуется значениями напряжения, частоты, симметрией (для трехфазного тока) и синусоидальностью (формой кривой переменного тока).
Расход угля, газа или какого-либо другого органического топлива на ТЭС или расход воды на ГЭС зависит от потребления электроэнергии в системе.
Энергетическая технология - та область технологии, которая связана с производством, преобразованием, аккумулированием, распределением и использованием энергии.
Коэффициент полезного использования первичных энергоресурсов – отношение подведенной (конечной) энергии ко всему объему первичных энергоресурсов, поступивших в приходную часть энергетического баланса.
Энергетически баланс – система показателей, характеризующих процесс преобразования энергии или снабжения ею потребителей и отражающих равенство подведенной энергии с одной стороны и суммы полезной энергии и ее потерь с другой.
Существует ряд факторов, которые воздействуют на повышение производительности производства энергоносителей:
1) увеличение числа кВт·ч, полученного в результате сгорания единицы топлива, или потребление гидроресурсов;
2) снижение потерь энергии в электрооборудовании, т. е. повышение КПД генераторов, трансформаторов;
3) создание новых типов устройств для получения электроэнергии.
4) использование возобновляемых источников, т е. замена расходуемых энергоносителей на возобновляемые;
5) снижение потерь при передаче электрической энергии;
6) повышение уровня эффективности технологии конечного потребления энергии, т. е. снижение уровня энергопотребления для оказания каких – либо услуг в области энергетики.
В современных электроэнергетических системах и их объединениях обострилась необходимость совершенствования решений ряда проблем, регулирования режимов их работы в нормальных и анормальных условиях. Создание гибких управляемых систем электропередач переменного тока (FACTS) как вновь сооружаемых, так и на базе существующих линий для повышения их пропускной способности, надежности и экономичности [5].
Экономия ТЭР при производстве электроэнергии.
Производство электрической энергии осуществляется на электрических станциях с использованием синхронных генераторов.
Реактивная мощность вырабатывается генератором и может иметь индуктивный (при перевозбуждениии) и емкостной (при недовозбуждениии) характер. Она идет на преодоление реактивного сопротивления, не принося пользы в энергосистеме. Пользу приносит только активная мощность, которая вращает двигатели, нагревает проводники и т.д. Поэтому электрический кпд характеризуется коэффициентом мощности
. (8.1)
В то же время передача реактивной энергии от генератора приводит к увеличению общего тока , который согласно закону Джоуля-Ленца равен и вызывает активные потери мощности Р, затрачиваемые на нагрев проводов и стали.
В связи с тем, что основные потери энергии идут на нагрев проводников, основные мероприятия по энергосбережению при выработке, передаче и потреблении электрической энергии можно определить из уравнения:
. (8.2)
Поскольку реактивное сопротивление потребителей имеет индуктивный характер и по сети к ним от генератора передается индуктивная реактивная мощность, то для уменьшения активных потерь в питающих сетях рядом с индуктивными потребителями необходимо устанавливать емкостные потребители в виде конденсаторных батарей.
Другим способом уменьшения потерь является выработка, передача и потребление электрической энергии на постоянном токе.
Как видно из уравнения, потери энергии обратно пропорциональны квадрату напряжения, поэтому основным мероприятием по энергосбережению является повышение напряжения на источнике, потребителе и передача энергии на повышенном напряжении.
Уменьшение активного сопротивления проводников состоит в использовании сверхпроводников и криопроводимости в генераторах и электродвигателях; использовании материалов с высокой магнитопроводимостью, уменьшение толщины магнитных листов и снижение вихревых токов; расщеплении проводов (фаз), поскольку одноименные частицы в проводниках отталкиваются, выходят на поверхность, создавая поверхностный эффект.
Уменьшение индуктивного сопротивления проводников состоит в замене воздушных линий на самонесущие изолированные провода (СИП) и кабельные линии и тем самым ведет к созданию компактных линий передач.
Следующим этапом энергосберегающей политики при производстве электроэнергии является применение асинхронизированных синхронных машин.
Асинхронизированная синхронная машина (АСМ), в отличие от обычной синхронной, имеет на роторе не одну обмотку возбуждения, а две или более, оси которых взаимно сдвинуты на какой-то угол. Это позволяет регулировать частоту вращения ротора с сохранением синхронизма между ЭДС АСМ и напряжением сети, а также при изолированной работе АСМ изменять частоту ее ЭДС независимо от угловой скорости ротора. Преимущества АСМ по характеристикам устойчивости, по сравнению с СМ, особенно велики при работе в режиме потребления из сети реактивной мощности. Усложнение конструкции приводит к удорожанию машины на 20-30% по сравнению с традиционной СМ. АСМ экономически целесообразны, при их использовании с ГТУ и ПГУ, а также с ветровыми электростанциями, в которых постоянно меняется частота вращения.
Асинронизированные синрохронные машины могут использоваться в режимах генерирования и потребления активной и реактивной мощности, т.е. для регулирования частоты и напряжения в энергосистемах. Применение АСМ на тепловых электростанциях (ТЭС) любых типов может быть целесообразным, когда эти электростанции близки к электрическим сетям, в которых возникает необходимость потребления реактивной мощности и/или имеются затруднения в отношении обеспечения устойчивости.
В результате достигаются следующие положительные эффекты:
- повышается динамическая устойчивость; например, для средних условий работы электростанции в системе критическое время отключения короткого замыкания возрастает примерно на 18 %;
- на 6-8 % повышается уровень напряжения в прилегающих сетях в переходных процессах после отключения близких коротких замыканий;
- обеспечивается возможность плавного регулирования напряжения прилегающих сетей и отказа от установки в них шунтирующих реакторов;
- отпадает необходимость привлечения синхронных генераторов к решению задачи потребления реактивной мощности, что повышает надежность и устойчивость их работы;
- при оптимальном проектировании АСМ несколько снижается уровень токов короткого замыкания в сетях энергосистем благодаря возможности уменьшения зазора между статором и ротором по сравнению с зазором синхронного турбогенератора и соответственно увеличения значений реактивных сопротивлений.
Достоинством асинхронизированных компенсаторов по сравнению со статическими устройствами того же назначения является возможность регулирования напряжения не только по значению, но и по фазе, что важно для поддержания устойчивости.
Экономия электроэнергии при передаче.
Энергосбережение при передаче в основном направлено на борьбу с потерями электроэнергии. В электроэнергетике существуют следующие термины, характеризующие потери:
Отчетные (фактические) потери – это разница электроэнергии, поступившей в сеть, и электроэнергии, отпущенной из сети, определяемая по показаниям приборов учета, установленным на входе в распределительную сеть (РЭК, РЭС) и на выходе из сети (у потребителя) при ее отпуске.
Технические потери – потери, обусловленные физическими процессами в проводах и электрооборудовании, происходящими при передаче и распределении электроэнергии по электрическим сетям. Величина технических потерь зависит от режима и параметров сети, величины тока нагрузки и его равномерного распределения по фазам. Технические потери определяются расчетным путем.
Потери электроэнергии на собственные нужды – это расход электроэнергии для обеспечения работы технологического оборудования подстанций и жизнедеятельности обслуживающего персонала, определяемый по показаниям счётчиков, установленных на трансформаторах собственных нужд подстанций.
Коммерческие потери – это потери, обусловленные хищениями электроэнергии, несоответствием показаний счетчиков при оплате за электроэнергию и другими причинами в сфере организации контроля над потреблением электроэнергии.
Метрологические потери – это потери, обусловленные инструментальными погрешностями ее измерения.
Нормативная величина потерь – эта оптимально обоснованная величина потерь электроэнергии при ее передаче и распределении в электрической сети. Она определяется аналитически-расчетными, статистическо-вероятностными и экспериментальными методами. В настоящее время норму потерь электроэнергии составляют технические потери: условно-постоянные, переменные или нагрузочные потери, и потери на собственные нужды подстанций.
Сверхнормативные потери – это разница между отчетными и нормативными потерями. В настоящее время сверхнормативные потери составляют технические, коммерческие и метрологические потери. Сверхнормативные технические потери возникают вследствие отличия фактических параметров сетей от нормативных расчетных параметров или же обусловлены погрешностями при расчете нормативного уровня потерь в электрической сети.
Транспорт электроэнергии от источников в Казахстане осуществляется по магистральной национальной сети 500-220 кВ государственной компанией АО KEGOC. Транспорт и распределение электрической энергии в основном по сетям напряжением 110 кВ и ниже осуществляется региональными электросетевыми компаниями (РЭК).
Эксплуатация устаревшего и изношенного оборудования, к тому же в неоптимальных режимах, порой не зависящих от энергопередающих компаний, создает значительную величину технологических потерь электроэнергии в этом оборудовании. На просторах Казахстана существуют почти в каждом предприятии линии электропередачи напряжением 110 кВ длиной до 300- 400 км (при оптимальной длине 50-100 км), напряжением 35 кВ длиной до 100 км (при оптимальной длине до 50 км). Среднегодовая загрузка отдельных силовых трансформаторов не превышает 10 - 15 %.
В Национальной электрической сети (KEGOC) напряжением 220-500 кВ относительные нормативные потери электроэнергии менее 7% к отпуску электроэнергии из сетей и имеют тенденцию к снижению вследствие роста потребления. В структуре потерь КEGOC превалируют нагрузочные потери в сетях – до 50%, потери на корону – до 30% и около 20% составляют остальные условно-постоянные потери. В сетях КEGOC активно проводится модернизация оборудования, измерительных комплексов устанавливаются шунтирующие реакторы на линиях, что приводит к снижению технических потерь электроэнергии. Введена в действие автоматизированная система диспетчерского контроля и управления SKADA / ЕМS в национальном и 9 региональных центрах.
До 1991 года относительные технические потери в целом по Казахстану назывались на уровне 9,0% от несальдированного отпуска в сети, в 2002- 2003 годах нормативные потери рассчитывались на уровне 12,0%.
Основными принципами нормирования потерь электроэнергии в электрических сетях является разработка напряженных нормативов потерь электроэнергии, с целью учета их в тарифах на электроэнергию, с другой стороны существует вероятность навредить энергопередающим организациям необоснованно низкими нормативами потерь.
В настоящее время в Казахстане право утверждения нормативов потерь электроэнергии в электрических сетях всех энергетических организаций передано Агентству по регулированию естественных монополий (АРЭМ) с целью проведения политики энергосбережения. Отдельные энергопередающие компании работают с нормативами потерь электроэнергии, утвержденными на три года (среднесрочный период), в течение этого периода корректировки по потерям и потреблению не производятся.
Потери электроэнергии на любом участке сети определяются разницей принятой и отпущенной из сети электроэнергии. Но при учете потерь на участке сети или по сети в целом метод поэлементного учета в принципе не может быть использован, т.к. в данном случае потери при измерении на отдельном элементе внесут в суммарные потери дополнительные метрологические потери. Эти потери должны быть учтены только в точках приема и отпуска электроэнергии. Для чего необходимо выделить границы транспортной сети или «контур» участка. «Контур» участка сети определяется коммерческими точками учета на приеме в сеть и отпуска из сети.
Как известно, основная проблема расчётов технических потерь электроэнергии – трудоёмкость (особенно по распределительным сетям 0,4 110 кВ), а также низкая обеспеченность расчётов достоверной исходной информацией.
В связи с особенностями схем и режимов электрических сетей различных классов напряжения и возможностями применения методов расчёта технических потерь, электрическая сеть подразделяется на несколько групп:
- разомкнутые электрические сети напряжением 35 ¸ 110 кВ;
- электрические сети напряжением 6 ¸ 10 кВ;
- электрические сети напряжением 0,4 кВ.
Для первой и второй групп электрических сетей технические потери электрической энергии рассчитываются схемно-техническими методами.
Для третьей группы электрических сетей используется эвристический метод оценки потерь электрической энергии, т.е. выборочный метод основанный на проведении измерений токов и напряжений с последующими электрическими расчётами.
В отдельных случаях, когда не используются специальные программы для расчёта технических потерь электроэнергии, нагрузочные технические потери в элементах электрической сети можно определить по формуле
∆Wн = ; тыс. кВт.ч. (8.3)
где: Wp – активная, тыс.кВт.ч,
Wq – реактивная, тыс.кВар.ч, электроэнергия прошедшая через рассчитываемый элемент сети за время Т.
U – средневзвешенное напряжение для расчёта нагрузочных потерь, кВ;
КФ.Г.У. – коэффициент формы графика нагрузки;
Потери холостого хода в трансформаторах определяют по формуле:
∆Wх = ∆Рх*Т*(Uср./Uном)² (8.4)
где: ∆Рх – номинальные потери мощности (по паспортным данным);
Т – число часов работы трансформатора;
Uср – среднее значение напряжения за рассматриваемый период времени;
Uном – номинальное напряжение трансформатора.
Потери электроэнергии в линии напряжением 0,4 кВ в процентах (%) определяют по формуле:
(8.5)
где - потери напряжения в максимум нагрузки сети от шин ТП до наиболее удалённого электроприёмника, %;
Кнер – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузок по фазам.
Коэффициент Кнер определяют по формуле:
(8.6)
где - измеренные токовые нагрузки фаз;
Rн/Rф – отношение сопротивлений нулевого и фазного проводов.
Относительные потери электроэнергии в совокупности к линиям 0,4 кВ определяются по формуле:
(8.7)
где - относительные потери электроэнергии в – линии;
- максимальная нагрузка головного участка - линии.
Организационные мероприятия по совершенствованию работ, стимулированию снижения потерь, повышению квалификации персонала, контролю эффективности его деятельности.
Как указывалось выше, замена воздушных линий на кабельные и СИП приводит к снижение индуктивного сопротивления ЛЭП за счет воздействия на индуктивное сопротивление провода какой-либо фазы, сдвинутых по времени токов соседних фаз посредством воздействия создаваемых ими магнитных полей на ток рассматриваемой фазы.
В линиях 500 кВ расстояние между соседними проводами составляет 12 м, а между крайними проводами трехфазной линии – 24 м, поэтому магнитное воздействие токов соседних фаз друг на друга незначительное и не приводит к изменению индуктивного сопротивления фазы. Надежную работу линии 500 кВ можно обеспечить, имея расстояние между соседними проводами 4-5 м. На линии 1200 кВ. расстояние между проводами соседних фаз – 23 м, а между проводами крайних фаз – 46 м при необходимом изоляционном расстоянии между фазами 10 м.
Компактные линии имеют значительно уменьшенные (примерно вдвое) поперечные размеры по сравнению с линиями традиционного исполнения и расположение проводов 3х фазной линии наиболее целесообразно симметрично, аналогично кабелю. Целесообразно использовать опыт эксплуатации линий с опорами типа «кошка», когда три фазы линии расположены по треугольнику. Индуктивное сопротивление компактных линий значительно (в два-три раза) меньше, чем у обычных линий. Соответственно пропускная способность линий компактного исполнения значительно (также в два-три раза) больше, чем у обычных линий электропередачи. Влияние электромагнитных полей компактных линий на окружающую среду значительно меньше, чем у обычных линий. Стоимость передачи электроэнергии по компактным линиям меньше, чем по обычным линиям.
С другой стороны, уменьшение расстояния между фазами линии невозможно без увеличения числа проводов в фазе, поскольку при этом возрастает емкость фаз, а, следовательно, и заряд. Поэтому при неизменном количестве проводов в фазе уменьшение междуфазных расстояний приводит к увеличению напряженности на поверхности проводов, что недопустимо из-за резкого увеличения интенсивности коронного разряда, вызывающего потери энергии и рост уровня радиопомех. Снизить напряженность поля можно путем увеличения диаметра проводов либо числом проводов в фазе.
В начале 90-х г. большое внимание обращено к проблемам перетоков активной и реактивной мощности в отдельных узлах. Переток мощности между двумя энергосистемами, связанными линией передачи переменного тока, определяется балансом между источником и нагрузкой на концах линии. Для постоянного регулирования такого перетока необходима сложная система управления и возможность централизованного регулирования нагрузки.
Экономичное управление этими перетоками можно осуществлять с помощью вольтодобавочных трансформаторов с поперечным регулированием напряжения. Напряжение этого трансформатора направлено под углом 90 электрических градусов по отношению к фазному напряжению системы. Изменение амплитуды вольтодобавки, которая может опережать или отставать от фазного напряжения, регулируется изменением числа витков трансформатора. Такой вольтодобавочный (бустер) трансформатор рассчитан на проходную мощность 2000 МВА при напряжении 400 кВ. Трансформатор обеспечивает 20-процентную вольтодобавку (80 кВ) при отстающем или опережающем угле с 38 ступенями регулирования. Возросшие требования к электропередачам переменного тока усложняют процесс управлениями ими и порождают проблемы устойчивости их работы. Электронные, на базе тиристорных контроллеров, сильноточные высоковольтные ключи отличаются существенно более высоким быстродействием, чем механические устройства. Такие электронные устройства с использованием тиристоров, содержащих четыре слоя легированного кремния, являются основой систем управления передачей электрической энергии.
Существенный вклад в снижение потерь в ЛЭП дают высоковольтные линии передачи постоянного тока (ВППТ), в которых отсутствует индуктивное сопротивление. Передача энергии на постоянном токе требует двойного преобразования энергии: переменного тока в постоянный на отправном конце линии и постоянного в переменный на приемном. Поэтому от объединяемых такой передачей энергосистем не требуется синхронная работа. Для объединения энергосистем, использующих различные алгоритмы поддержания частоты или работающих при различных частотах (например, 50 и 60 Гц.), применение высоковольтных электропередач постоянного тока является единственно возможным решением.
ВППТ обеспечивают быстрое и независимое управление передаваемой мощности, при этом ток в линии пропорционален разности постоянных напряжении на ее концах. Быстрое регулирование каждого из этих напряжений осуществляется благодаря адекватному воздействию на управляющие сигналы преобразователей частоты. Соответственно можно быстро и независимо от работы объединенной энергосистемы регулировать передаваемую по ВППТ мощность. Применение ВППТ дает преимущества и в случае линий большой протяженности.
Экономия электроэнергии при потреблении.
Около 64 % потребления электрической энергии в промышленности приходится на долю электродвигателей. Например, в США в 2006 году электромоторы потребляли 63 % электричества используемого промышленностью или приблизительно 25 % всего электричества, проданного в стране.
В этой связи, при рассмотрении энергосбережения при потреблении основное внимание должно быть обращено на энергосбережение в электродвигателях. Особенного внимания заслуживают двигатели для привода вентиляторов, компрессоров, насосов и установок с циклическим режимом нагрузки, которые потребляют большую часть электроэнергии среди всех электродвигателей.
Заслуживает внимания тот факт, что в Англии за 10 лет эксплуатации электромотор мощностью 11 кВт, который стоит 500 фунтов стерлингов, потребляет электроэнергии на 50000 ф.ст.
По отношению к электродвигателю использование нового оборудования состоит в повышении его кпд. В новых электродвигателях необходимо применять специальные стали с минимальной толщиной пластин, что приводит к уменьшению тепловых потерь, а значит, к снижению потребления электрической энергии на охлаждение. Перспективы развития электродвигателестроения представлены на рисунке 8.1.
Применение высокоэффективных электродвигателей позволит в среднем сэкономить 18 % электричества. В этой связи более целесообразно не продолжать восстанавливать двигатели и платить за более высокие затраты энергии, а переходить на экономичные электродвигатели. Это приводит к некоторому увеличению цены двигателя, что, впрочем, можно считать вполне оправданным, поскольку благодаря экономии энергии срок совершенствования двигателей измеряется не годами, а днями.
Наиболее эффективное использование энергии в существующих установках по отношению к электродвигателям состоит в использовании энергосберегающих инверторов.
Рисунок 8.1- Перспективы развития электродвигателестроения
С помощью таких преобразователей энергопотребление двигателя изменяется в зависимости от требуемой нагрузки автоматическим изменением частоты и амплитуды напряжения, подаваемого на двигатель, экономия электроэнергии составит 40-60 %. Большинство двигателей основную часть времени работает при неполной нагрузке, имея запас мощности на случай кратковременных пиков нагрузки. При малых же нагрузках кпд двигателей значительно уменьшается. Они позволяют обеспечить такой режим работы электродвигателей, при котором потребление энергии из сети соответствует величине механической нагрузки, что достигается снижением прикладываемого к двигателю напряжения и поддержанием магнитного потока, достаточного для получения необходимой величины момента при любой нагрузке и частоте вращения. Так, если у двигателя мощностью 7,5 кВт при циклической нагрузке снизить, благодаря применению инвертора, продолжительность включения с 50 до 40%, то средняя потребляемая им мощность уменьшится с 1,29 до 0,94 кВт. В результате будет сэкономлено 27% потребляемой энергии.
Сбережение энергии возможно и при применении преобразователей частоты, как в цепи статора, так и в цепи ротора синхронной машины. Это обеспечивает возможность длительной и кратковременной работы агрегата со скоростью вращения, отличной от синхронной, при синхронной с сетью частотой выходного напряжения. Недостатком принципиально более простой системы с преобразователем в цепи статора обычной синхронной машины является необходимость использования преобразователя, мощность которого равна мощности основной машины. Это особенно существенно для агрегатов большой мощности. Преобразователь существенно меньшей мощности требуется в комплексах, где он включается в цепь ротора электрической машины.
Крупные электрические двигатели переменного тока мощностью от 7,5 до 45 кВт и выше, как правило, требует наличия трехфазной питающей сети. Причем в тех случаях, когда они расположены на значительном удалении от магистральных линий передачи, их питание осуществляется от отдельных линий значительной протяжности, что представляет дополнительную проблему, поскольку пусковой ток двигателей может в 6 раз превышать свое номинальное значение. Для многих областей применения, таких, например, как приводы насосов и конвейеров, эти двигатели требуют крупных затрат на строительство силовой линии передачи (ее удельная стоимость доходит до 16 тыс. долл./км.). В настоящее время разработан новый однофазный двигатель, мощность которого в 3-4 раза превышает мощность обычных. При этом он характеризуется малым пусковым током и увеличенным на 25 % коэффициентом полезного действия. Двигатель опробован и уже применяется на ряде сельскохозяйственных ферм в США, где для его питания используются имеющиеся однофазные сети. Двигатель, в котoром используется технология «печатных» полюсов, поставляется компанией Precise Power Corp. (Брадентон, шт. Флорида). В отличие от обычных с фиксированным числом полюсами имеет на статоре отдельную обмотку возбуждения, которая формирует полюса на магнитном слое ротора. Еще одной особенностью этого двигателя является наличие внешнего цилиндрического ротора, вращающегося вокруг статора. Короткозамкнутая обмотка ротора характеризуется большим активным сопротивлением, что обеспечивает его мягкий пуск. Когда скорость двигателя достигает примерно 80 % номинальной, обмотка возбуждения подключается к сети переменного тока. При включении этой обмотки поле возбуждения формирует магнитные полюса на внутреннем магнитном слое ротора, так что их число синхронизировано с вращающимся полем статора. Обмотка возбуждения формирует полюса в магнитном слое на поверхности ротора, придавая двигателю свойства частично синхронного двигателя.
Погружной насос для ирригации в штате Луизиана приводится в действие двигателем с формируемыми полюсами мощностью 32 кВт. Этот двигатель заменил преобразователь числа фаз и асинхронный двигатель, потреблявший мощность 57 кВт.
Установка двигателя с формируемыми полюсами мощностью 15 кВт для привода центробежного насоса в штате Арканзас позволила отказаться от строительства трехфазной линии электропередачи длиной 13 км.
Заключение
Энергосбережение - это фактор экономического развития, на практике показавший, что во многих случаях дешевле осуществить меры по экономии энергии или вообще избежать ее использования, чем увеличить ее производство. Это означает, что финансовые ресурсы, предназначенные для расширения производства энергии (например, строительства новой электростанции) или увеличения импорта энергии (что требует значительных валютных средств), могли бы быть направлены на другие виды деятельности, например, на повышение уровня жизни, комфорта, на развитие транспорта, строительство больниц.
Учитывая то, что 50% ТЭР потребляется в энергетическом комплексе, особое внимание должно быть обращено на энергетику. Исторически энергетика составляет около 5% мирового ВНП, в то время как инвестиции в энергетику составляют около 15% общемирового показателя. Они будут расти, чтобы поддержать и расширить возможности потребления и справиться с экологическими проблемами. Это потребует радикальных перемен в местных организационных структурах, рынках, обучении и управлении энергетикой, если локальные международные финансы будут возрастать и проникать в энергетическое инвестирование, особенно в развивающемся мире и странах переходного периода.
Стратегия эффективного использования энергии - это не подстройка к энергетической политике, а новая концепция в экономической политике. Эта концепция учитывает издержки, связанные с нарушением окружающей среды, и пытается уменьшить возможную опасность его прогрессирования, повысить эффективность экономики на национальном и международном уровнях. Национальные стратегии энергосбережения должны составлять интегральную часть экономических стратегий, обеспечивающих сохранность природной среды и устойчивое развитие общества.
Такая стратегия основана, прежде всего, на серьезном пересмотре самой концепции потребности в энергии. Идея состоит в том, что достижение определенного уровня общественного развития может обеспечиваться с использованием значительно меньшего количества энергии, чем в настоящее время, при общих издержках также значительно ниже сегодняшних уровней. Это утверждение справедливо даже для стран, использующих самые передовые технологии и располагающие наиболее эффективной экономикой.
Выводом данной работы является то, что энергосбережение не направлено на снижение потребления энергии на технологические нужды, на снижение объемов выпускаемой продукции и не означает снижения потребления энергии за счет снижения комфортности жилья. Оно способствует снижению энергоемкости производства, следовательно, и себестоимости товаров и услуг.
Список литературы
1. Журнал “Энергетика, вестник”, Алматы 2008. – 96 с.
2. Г. Трофимов “Совершенствование государственной политики в области энергосбережения в Республики Казахстан”, № 2, 3, 20
3. Закон Республики Казахстан ‘Об энергосбережении’, Энергоэффективность-2005.
4. Энергосбережение: Введение в проблему: учебное пособие для учащихся общеобразовательных и средних профессиональных учебных учреждений, Н.И.Данилов. - Екатеринбург: ИД «Сократ», 2001. - 208 с.
5. Данилов Н.И. Энергосбережение - религия XXI века, Н.И. Данилов.- Екатеринбург: НП «ИЭЭТ», 2004. 48 с.; 2006. - 63 с.
6. Теплотехника: учебник для вузов, А.П. Баскаков под редакцией А.П. Баскакова. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 264 с.
7. Чоджой М.Х. Энергосбережение в промышленности, М.Х. Чоджой, - М.: Металлургия, 1982. - 272 с.
8. Экономика в электроэнергетике и энергосбережение посредством рационального использования электротехнологий: учебное пособие для вузов. - СПб.: Энергоатомиздат, СПб. отд., 1998. - 368 с.
9. Данилов Н.И. Энциклопедия энергосбережения Н.И. Данилов Я.М. Щелоков. - Екатеринбург: ИД «Сократ», 2002. - 352 с.; 2004. - 368 с.
10. Энергетические обследования - способ реального энергосбережения и получения дополнительной прибыли: методическое пособие (нормативные документы, информационно-справочные материалы), под редакцией Т.Е. Троицкого-Маркова, - М.: Спорт и культура, 2002. - 209 с.
11. Лисиенко В.Г. Хрестоматия энергосбережения: справочное издание в 2 книгах. В.Г. Лисиенко, Я.М. Щелоков, В.Г. Ладыгичев; под редакцией В.Г. Лисиенко. - М.: Теплотехник, 2002. Кн. 1. - 688 с.
12. Данилов Н.И. Энергосбережение для всех, Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков. - Екатеринбург: Энерго-Пресс, 2003. - 132 с.
13. Кравченко Е.В. Энергосберегающие технологии на основе использования ВЭР, - Минск: Технология, 1999. – 54 с.
14. Поспелова Т.Г. Основы энергосбережения, Т.Г. Поспелова.- Минск: УП «Технопринт», 2000. - 253 с.
15. Энергосбережение и повышение эффективности использования энергоресурсов в зданиях и сооружениях: учебное пособие, под общей редакцией А.П. Баскакова, - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ, 2002. – 326 с.
16. Щелоков Я.М. Энергетика как зеркало экономики, Я.М. Щелоков, Энергонадзор и энергобезопасность. 2006. № 1. с. 50-51.
17. Данилов Н.И. Энергосбережение - от слов к делу, Изд. 2-ое, исправленное и дополненное, - Екатеринбург: Энерго-Пресс, 200о. – 130 с.
18. Мошкарин А.В., Смирнов А.М., Ананьин В.И. Состояние и перспективы развития энергетики Центра России
19. Региональный вектор энергосбережения. Иван. гос. энерг. ун-т. – Москва - Иваново, 2000. - 192 с.
20. Литвак В.В., Силич В.А., Яворский М.И. Энергоаудит и энергосбережение на ТЭС. – Томск: STT, 1999, - 320 с.
21. Энергосбережение (справочное пособие). Вып.1/ под ред. А.В. Мошкарина, Е.В. Барочкина, Ю.М. Пашковского. – Москва – Владимир- Иваново: ИГЭУ, 1999. – 208 с., ил.
22. Энергосбережение. Введение в проблему. В.Е. Батищев, Б.Г. Мартыненко, С.Л. Сысков, Я.М. Целоков. – Екатиринбург, 1999. - 102 с.
23. Н.И. Данилов, А.И. Евпланов, В.Ю. Михайлов, Я.М. Щелоков. Научные основы энергосбережения.- Екатеринбург: ИД «Сократ», 2001.-208 с.
24. Россель Э.Э. Вторичные энергетические ресурсы, - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, 2004. – 70 с.
25. Рациональное использование топливно - энергетических ресурсов. Я.М. Щелоков, - М.: Металлургия, 1990. – 149 с. (Сер. «Экономия топлива и энергии»).