МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

 

Алматинский институт энергетики и связи

 

 

 

 

 

 

 

Н. Г. Борисова

 

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКЕ И ТЕПЛОТЕХНИКЕ

Учебное пособие

 

 

 

 

 

 

 

Алматы, 2006

 


 

УДК 620.92 +621.311+697.34

ББК 31.19я7

Б 82

Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнике:

Учебное пособие/ Н. Г. Борисова;

АИЭС. Алматы, 2006. - 119с.

 

В учебном пособии рассматриваются задачи и проблемы энергосбережения в теплоэнергетике и теплотехнике. Приведены  законодательные и нормативные основы энергосбережения, важнейшие термины и определения, методология исследования эффективности использования энергии, описаны практические способы реализации мер энергосбережения на промышленных предприятиях, в жилищно-коммунальном хозяйстве, системах ОВК, при проектировании   энергоэффективных зданий,  использовании тепловых насосов, затрагиваются также вопросы энергоаудита (энергетического обследования) объектов теплоэнергетики и теплотехники.

 

Пособие рассчитано на студентов технических вузов теплоэнергетических специальностей, бакалавриата  и магистратуры по направлению теплоэнергетика. Пособие может быть полезно  специалистам  по теплоэнергетике предприятий различного направления и профиля, преподавателям вузов, занимающимся вопросами энергосбережения.

 

Табл. 19, Ил.35     Библиогр. - 86 назв.

 

 

РЕЦЕНЗЕНТЫ:  кафедра ТЭУ АИЭС, зав. кафедрой,

                             канд. тех. наук, доц. А.А. Кибарин,

                     кафедра теплофизики КазНУ им. аль-Фараби

                     канд. физ.-мат. наук, доц. И.В. Локтионова

 

 

Печатается по плану издания Министерства образования и науки Республики  Казахстан на 2005г.

 

Б

 

ISBN 9965-708-18-5  

 

 

                                   Б 82

© Алматинский институт энергетики и связи, 2006 г.


Введение

Энергосбережение  является одним из основных, постоянных  направлений деятельности специалистов-энергетиков и технологов, способствующих снижению  издержек производства и себестоимости производимых  продуктов и услуг, повышению конкурентоспособности  отечественных товаров.

В 1989г. Мировой энергетический совет (МИРЭС) образовал международную комиссию "Энергия для завтрашнего мира: реалии, возможность выбора и программа действий" /1/. В задачу комиссии входила разработка сценариев развития мирового и региональных энергетических хозяйств в период до 2020г с особым вниманием к анализу взаимозависимости устойчивого развития экономики с энергетикой и сохранения среды обитания /1/.

Отчетный доклад Комиссии 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.

Основные выводы Комиссии МИРЭС "Энергия для завтрашнего мира: реалии, возможность выбора и программа действий" сводятся к следующему:

а) общий вывод – необходимость перемен. Необходимы перемены позиции, систем, измерений, изменения в развитии планирования. Учитывая  ожидаемый прирост мирового населения в 2 раза в ближайшие десятилетия и более чем в 3 раза городского населения, нельзя продолжать использовать энергию привычным образом,

Спрос на услуги, которые представляет энергетика, - отопление, охлаждение, освещение, бытовые приборы, транспорт существенно возрастает. Этот рост произойдет, главным образом, в развивающихся странах. Энергия удовлетворяет основные потребности населения и предоставляет основные услуги, она является существенным компонентом  социального развития и экономического роста. Проблема заключается в обеспечении требуемых энергетических услуг для растущего населения мира без последствий для окружающей среды, которые, в конечном счете, могут быть непреодолимыми.

Решение этой проблемы требует существенных перемен в мировом энергетическом секторе. Это влечет за собой постепенное сокращение многих существующих инвестиций, внедрение  и распространение новых технологий, разработку новых улучшенных инвестиционных проектов, изменение в энергетической политике и образцах потребительского поведения. Энергетические системы не могут быть изменены быстро, но ближайшие 30 лет будут критически важной переходной фазой  при реализации долгосрочных целей;

б) по крайней мере, 85% прироста мирового энергопотребления, ожидаемого в течение следующих нескольких десятилетий, придется,  как предполагается, на развивающийся мир, что является свидетельством улучшения благосостояния и материального прогресса;

в) наиболее целесообразное использование энергии в мировом масштабе на выгодной основе является ближайшим приоритетом. Это основа для энергетического и социального развития. До настоящего времени перемены в экономической структуре и переориентация станций  и оборудования на наиболее современное и эффективное были основной причиной снижения энергоемкости экономики. Изменения в ценах на энергоносители и регулирующие меры были значительно менее существенными.

Комиссия подчеркивает выгоды от мероприятий по повышению энергоэффективности. Она отмечает необходимость отражения всех экологических и социальных воздействий на систему ценообразования на энергию и рекомендует отказаться от дотаций в энергетику;

г) разработка и распространение технологий, необходимых для покрытия мировых  энергетических потребностей  и смягчения воздействия на окружающую среду, имеют решающее значение. Передача технологий должна быть ускорена  с надлежащей защитой прав интеллектуальной собственности и предпочтительно с использованием рыночной системы. Индустриальные страны несут  основную ответственность  за разработку перспективных технологий и за помощь в "подгонке" технологий к местным условиям;

д) ископаемые топлива будут  продолжать обеспечивать большую часть энергетической потребности в течение следующих нескольких десятилетий.  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, и дальность их транспортировки будет увеличиваться;

е) атомная энергетика стоит перед дилеммой. С одной стороны, беспокойство со стороны общественности и властей по поводу безопасности, с другой, интерес к быстрым реакторам - размножителям и термоядерным установкам упал. Еще долгое время за пределами 2020 года, вероятно,  должно существовать признание того, что ядерная энергия и уголь являются двумя наиболее доступными в значительных количествах источниками энергии;

ж) при современных условиях доля возобновляемых источников энергии, составляющая 18% мировых поставок первичной энергии в 1990г, не будет существенно возрастать в течение ближайших трех десятилетий. В 1990 около 60% всего количества возобновляемых энергоресурсов приходилось на традиционную биомассу. Большая гидроэнергетика составляла 30%, современная биомасса 8%, "новые" возобновляемые источники энергии  - солнечная, ветровая, геотермальная, малая гидроэнергетика и энергия океанских приливов – всего до 2%.

Исследование МИРЭС по "новым" возобновляемым источникам энергии позволило сделать вывод, что их доля с 2% в настоящее время может удвоиться к 2020г. Ускоренное развитие при поддержке согласованных и эффективных правительственных акций, основанное на соответствующих экономических и природоохранных критериях, будет приветствоваться  и может привести к увеличению доли новых возобновляемых источников энергии до 12% мирового потребления энергии в 2020г.

з) несмотря на стремления Декларации  Рио 1992г. у развитых стран нет реальной возможности к началу ХХI века при современных условиях производства удерживать выбросы парниковых газов на уровне 1990г. Выбросы парниковых газов и их концентрация в атмосфере в результате глобальной энергетической деятельности будут расти в течение многих ближайших десятилетий;

и) развивающиеся страны, стоящие перед своими собственными приоритетами в плане использования дефицитных ресурсов, отдают высший приоритет вопросам локального и регионального загрязнения (воды, воздуха, земли, отсутствие санитарии, должного жилищного строительства, здравоохранения), а не потенциальному глобальному изменению климата;

к) исторически энергетика составляет около 5% мирового ВНП, в то время как инвестиции в энергетику составляют около 15% общемирового показателя. Они будут расти в ближайшие десятилетия, чтобы поддержать и расширить возможности предложения и справиться с экологическими проблемами. 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.

В 1990г. доказанные извлекаемые запасы органического топлива в мире составляли около 1220 млрд. т.у.т. Ресурсы урана в мире в настоящее время оцениваются в 2.4 млн. т. Годовая потребность в уране 420-тью действующими в мире ядерными энергетическими реакторами 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.

В последнем десятилетии ХХ века суммарное производство первичных энергоресурсов в мире достигло 11434 млн. т.у.т., суммарное производство электроэнергии 12027 млрд. кВт×ч. Из них 7740 млрд. кВт×ч   произведено на ТЭС и установках на НВИЭ (64.4%), 2083 млрд. кВт×ч  - на АЭС (17,3%), 2203 млрд. кВт×ч - на ГЭС (18.3%). Производство энергии в мире на базе «новых» нетрадиционных источников энергии оценивается в 240 млн. т.у.т., что соответствует примерно 2% общих мировых потребностей в первичных энергетических ресурсах. МИРЭС полагает, что как за счет «традиционных» возобновляемых источников энергии, к которым относятся гидроэнергия крупных водотоков, дрова и сухой навоз, так и в результате более широкого вовлечения «новых» нетрадиционных возобновляемых источников энергии, в первом десятилетии ХХI века может быть произведено  при различных вариантах развития мирового энергетического хозяйства и в зависимости от степени поддержки на государственном уровне работ по освоению этих источников  энергии от 4.0 до 4.5 млрд. т.у.т.,  или 18-27%  всех потребностей мира в первичных энергетических ресурсах.

В связи с различием в темпах производства и потребления энергоресурсов за последние годы ХХ века   произошли определенные изменения в структуре мирового энергетического баланса: несколько снизилась доля твердого и жидкого топлив в общем  энергопотреблении при одновременном росте доли газа и первичной электроэнергии.

За последние годы не наблюдалось сколько-нибудь заметного изменения  структуры производства электроэнергии по типам электростанций. 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%.  

 Удельное потребление электроэнергии в расчете на одного жителя мира  в этот период составило 2190 кВт·ч.

Среднегодовые темпы роста численности населения мира в 1991-2010 гг. в большинстве прогнозов приняты близкими к 1,4%.

В перспективе должна неуклонно снижаться энергоемкость экономики, и задачам повышения энергетической эффективности экономики придается высший приоритет в подавляющем большинстве прогнозов.

Практически во всех прогнозах предусматриваются  опережающие темпы роста производства и потребления электрической энергии по сравнению с первичными энергоресурсами. Согласно прогнозу Мирового Энергетического Агентства (МЭА) производство электроэнергии в мире в 2010 г. составит 20450 млрд. кВт·ч, при росте суммарной мировой потребности в первичных энергоресурсах на 47%. Структура  мировых потребностей в первичных энергоресурсах изменится незначительно. Доля органического топлива сохранится на уровне 90%, при снижении доли нефти (на 2%),  увеличении доли природного газа (на 2%). На 1% снизится доля атомной энергии, тогда как доля гидроэнергии и других возобновляемых  источников энергии увеличится более чем на 1%.

В рассматриваемой перспективе ожидается заметное снижение темпов роста производства электроэнергии на АЭС. Основными причинами этого являются  высокие капитальные затраты, длительные сроки выдачи лицензий на строительство и эксплуатацию АЭС, большая продолжительность проектирования и сооружения объектов атомной энергетики и, конечно,  нерешенность ряда крупных технических аспектов безопасности АЭС  и обращения с радиоактивными отходами.

Согласно прогнозным оценкам  МИРЭС в течение ближайших 10-15 лет не предвидится какого-либо технологического прорыва, который бы коренным образом изменил ситуацию в мировом энергетическом хозяйстве.

 

В конце ХХ века МЭА начало строить долгосрочные энергетические  прогнозы с помощью модели мировой экономики (ММЭ), которая является средством анализа:

- перспектив мировой энергетики;

-  влияния на окружающую среду использования энергетических ресурсов;

-  влияния политических мер или изменений технологий /2/.

ММЭ является математической моделью, информационная база которой состоит из пяти основных модулей: конечный спрос на энергоресурсы; производство электроэнергии; нефтеперегонка и другие виды  преобразования нефти, предложение ископаемого топлива; торговля правом на выбросы. Основными внешними переменными являются ВВП, демографические показатели, размеры домашних хозяйств, мировые цены на ископаемое топливо и развитие технологий. Уровень потребления электроэнергии и цены на электроэнергию динамически связывают модули спроса на конечные энергоресурсы и производство электроэнергии. Первичный спрос на ископаемые виды топлива является вводной информацией в модуле предложения. Полные энергетические балансы рассчитываются на региональном уровне, а затем рассчитываются объемы выбросов парниковых газов. В ММЭ используется широкий спектр программного обеспечения, включая инструменты управления базами данных, экономическое программное обеспечение и программы математического моделирования.

Рисунок 1 – Мировой спрос на первичные энергоресурсы в модели мировой экономики /2/

 

Рассмотрим обеспеченность энергоресурсами Казахстана. Добыча угля и лигнита  играет одну из важных ролей  в развитии производства республики, основная из которых – энергетическое топливо. Запасы угля  в Казахстане составляют  40,82 млрд. тонн (3.5% мировых запасов), которых хватит более чем на 400 лет. Среди стран СНГ Казахстан занимает 3 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 около 67%, происходит снижение  объемов добычи угля, которая в 2000г составила около 57 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 2000г. 35,3 млн. тонн. В 2005г. ожидается  рост добычи нефти и газового конденсата до 60 млн. тонн, в 2010 году до 100 млн. тонн. Доля Казахстана в общемировой добыче составляет 0.8%. Казахстан располагает  значительными запасами нефти (0,7млрд. тонн) и газа (2,5 трлн. куб.м), которых хватит, соответственно,  на 35,5 и  более 100 лет.

Добыча естественного газа в 2000г. составила 11,5 млрд. куб. м. Доля нефти и газа в общем объеме потребления  первичных энергоресурсов составляет соответственно, 20% и 13%.

По выработке электроэнергии среди стран СНГ Казахстан занимает третье место, в 2000г. ее произведено 51,6 млрд. кВт·ч,  тепловой энергии -65,5млн. Гкал.

 

Рисунок 2 - Динамика потребления энергоресурсов в электроэнергетике Казахстана /2/

Из 18,1ГВт установленной мощности ЕЭС РК 15,9 ГВт приходится на ТЭС, из которых 15,54ГВт - паротурбинные и 0,33ГВт - газотурбинные,  мощность в 12,4 ГВт вырабатывается  на угле, 3,18 ГВт на газе и мазуте, установленная мощность гидравлических станций составляет 2,2ГВт. Срок эксплуатации генерирующего оборудования ТЭС: до 10 лет 1,4ГВт, 11-20 лет – 4,9ГВт, 21-30 лет 4,8ГВт, более 30лет - 4,8ГВт.

В Казахстане более половины общего объема электроэнергии и 40% тепловой энергии вырабатывают предприятия Павлодарской и Карагандинской областей.

В энергобалансе республики около трети энергоресурсов приходится на социальную инфраструктуру. Сложное хозяйство городов  ориентировано на централизованные коммунальные системы,  расчетные сроки эксплуатации которых близки к предельному износу. На первом этапе реконструкции тепловых сетей предполагается повысить эффективность действующих тепловых котельных  за счет перевода  их работы в режим мини-ТЭС мощностью от 500 до 2000 кВт. Второе направление комбинированной выработки тепловой и электрической энергии – применение мини –ТЭС для автономного энергоснабжения потребителей.

 

Таблица 1 - Потребность в первичных энергоресурсах в Казахстане /2/

Потребитель

2000г

2010г

млн. т.у.т

ГДж

млн. т.у.т

ГДж

Электроснабжение, в том числе

43,2

1265,8

56,7

1661,3

- централизованное

29,2

855,6

42,2

1236,5

- котельные

3,6

105,5

3,7

108,4

- автономные

10,4

304,7

10,8

316,4

Промышленность

13,0

380,9

13,9

407,3

Транспорт

3,7

108,4

4,9

143,6

Прочее

1,4

41,0

1,6

46,9

Всего

61,3

1796,1

77,1

2259,0

 

Таблица 2 –Потенциал различных видов первичной энергии в Казахстане /2/

Вид ресурса

Энергетический потенциал, млрд. кВтч в год

Теоретический

Технически достижимый

Экономически целесообразный

Уголь

4480

980

855

Нефть

1020

160

85

Газ

490

85

75

Гидроэнергия

163

62

27

Энергия ветра

2·106

1820

0,6

Солнечная энергия

106

1000

0,01

Геотермальная энергия

54000

54

0,54

 

Потенциальные ресурсы использования НВИЭ в Казахстане значительны.

Технически возможно использовать следующие виды возобновляемых источников энергии:

- солнечную энергию для теплоснабжения – 20 млн. Гкал;

- энергию ветра – 18 млрд. кВт·ч;

- гидроресурсы малых рек и водохранилищ – 7 млрд. кВт·ч;

- биоресурсы – 10 млн. т.у.т.;

- термальные воды – 1млн. т.у.т.

Объективной закономерностью общественного развития  является систематический рост энерговооруженности труда. При этом научно-технический прогресс во многих своих проявлениях направлен на повышение энергетической эффективности общественного производства, т.е. на энергосбережение. Энергосбережение следует рассматривать в двух аспектах. Первый из них состоит в снижении физического объема  топлива и (или) энергии, расходуемой на единицу выпускаемой продукции или национального дохода, т.е. в экономии органического и ядерного топлива, электрической и тепловой энергии.  Второй из аспектов энергосбережения  включает мероприятия, реализация которых в области энергетического хозяйства  обеспечивает достижение экономического эффекта за счет совершенствования структуры самого энергетического производства и энергетического баланса, а также замещения энергией трудовых ресурсов или дорогих и дефицитных материалов. 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.

Главными задачами политики энергосбережения Казахстана  являются:

-  разработка рыночных механизмов управления процессом энергосбережения, способствующих стабилизации и снижению уровня потребления энергии;

-  формирование комплекса правовых и законодательных актов Республики Казахстан, направленных на  стимулирование энергосбережения;

-  ускорение внедрения  приборов и устройств учета  и регулирования количества потребляемой энергии;

-  разработка и утверждение энергетических характеристик технологических процессов, установление специальных норм  и стандартов на энергетические показатели бытовой техники, зданий и сооружений;

-  организация информационно-рекламного обслуживания по научно-техническому проектированию и образовательных  программ для населения;

-  разработка и использование гибких цен и тарифов на энергоносители;

-  разработка и создание демонстрационных энергоэффективных  проектов, моделей, установок;

-  создание структурных органов  управления процессом энергосбережения;

-  определение темпов  и сроков снижения энергоемкости на уровне отраслей, объединений, предприятий, цехов, участков;

-  образование специального внебюджетного фонда "Энергосбережение"/3/.

 

1 Общие положения энергосбережения

 

1.1 Основные термины и определения энергосбережения

 

Большую работу  в направлении создания системы терминов и их определений в области энергосбережения проделал МИРЭС. Знание терминов в области энергосбережения, правильное их понимание имеет большое практическое значение. В области энергосбережения основные термины и определения согласно МИРЭС подразделяются на шесть групп/4/.

1.1.1Общие термины

Энергосбережение (energy conservation) – комплекс мер или действий, предпринимаемых  для обеспечения более эффективного использования энергетических ресурсов, например, мероприятия, направленные на достижение экономии топлива и энергии, рациональное их использование, замещение дорогих энергоресурсов и дефицитных  энергоносителей другими, более доступными и дешевыми (замена нефти углем, нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии и т.д.). Меры могут быть правовыми, организационными, научными, производственными, техническими, экономическими.

Экономия энергии (energy saving) – результаты реализации мер, принимаемых в целях снижения непроизводительных потерь топлива, электроэнергии, теплоты, механической энергии. Меры могут носить пассивный (например, теплоизоляция), активный (утилизация сбросной теплоты или полезное использование попутного нефтяного газа) или  организационный (замена одного вида транспорта другим, более эффективным в энергетическом отношении)  характер.

Рациональное использование энергии (rational use of energy) – 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».

Энергоемкость (energy content) – 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.).

Энергетическая цепочка (energy chain)  характеризует поток энергии от добычи (производства) первичного энергоресурса до конечного использования энергии. Преобразование одной формы энергии в другую включает одно или несколько звеньев энергетической цепочки.

Энергетический поток (energy flow) – движение энергоресурсов в энергохозяйстве  в направлении от источников к потребляемой энергии;  стадии этого движения  характеризуют перемещение  и хранение энергоресурсов, изменение их количества и/или качественного состояния.

Энергетический каскад  (energy cascade) – энергетический поток, используемый постепенно в двух или большем числе технологических процессов таким образом, что остаточная энергия после завершения одного технологического процесса поступает для использования в последующих процессах с целью достижения оптимальной эффективности использования энергии. В том случае, когда речь идет о теплоте, в каждом технологическом процессе увеличение энтропии поступившей энергии соответствует уменьшению ее  энтальпии.

Удельные затраты на экономию энергии (specific cost of energy saving) – затраты, необходимые для реализации мер по экономии  единицы энергии в год без нежелательного изменения количества или качества выпускаемой продукции. Термин применяется, например, при расчете прибыли.

1.1.2 Пассивная экономия энергии

Теплоизоляция (thermal insulation) – 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.

Теплопроводность (thermal conductivity) – один из видов  теплообмена, при котором происходит перенос энергии в форме теплоты в неравномерно нагретой среде. Этот вид теплообмена имеет атомно-молекулярный характер  (не связан с макроскопическим движением среды). В газах перенос энергии теплопроводностью осуществляется хаотически движущимися молекулами, в металлах – в основном электронами проводимости, в диэлектриках – за счет  связанных колебаний частиц, образующих кристаллическую решетку. Этот термин является одним из показателей уровня теплоизоляции.

Теплопередача (thermal transmittance) – теплообмен между двумя теплоносителями через разделяющую их  твердую стенку или через поверхность раздела между ними. Интенсивность теплопередачи характеризуется коэффициентом теплопередачи. Теплопередачу через стены, крышу и другие части здания определяют термодинамические характеристики здания.

Побочная термодинамическая эффективность (incidental  heat gain) -  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.

Энергоэкономическое здание (low-energy building) – 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».

1.1.3 Активная экономия энергии применительно к действующим энергетическим и энергопотребляющим установкам

Запрограммированное управление  отоплением и кондиционированием воздуха (programme controlled  heating and air-conditioning) – 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 (load control) – 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.

1.1.4 Активная экономия энергии с помощью дополнительных элементов оборудования, использования вторичных энергоресурсов на действующих энергетических и энергопотребляющих установках

Возврат конденсата (condensate return) – процесс и соответствующее устройство  или оборудование для сбора воды, образовавшейся при конденсации пара, использованного для производства электроэнергии, в технологическом процессе, отоплении и т.д. и для возврата ее в котел в качестве питательной воды.

Регенерация энергии (energy recovery) – использование остаточной энергии после завершения конкретного процесса в том же самом или другом процессе.

Регенерация сбросной теплоты (waste heat recovery) – 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 (mechanical energy recovery) – 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.

Теплообменник (heat exchanger)  или теплообменный аппарат – вид оборудования, предназначенного для передачи теплоты от среды с более высокой температурой (греющее тело – теплоноситель) к среде  с более низкой температурой (нагреваемое тело). Теплообменники делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные. В рекуперативных теплообменниках теплота от нагреваемого вещества к охлаждаемому  передается через разделяющую их стенку (паровые котлы, воздухо- и водоподогреватели,  конденсаторы и др.). В регенеративных теплообменниках одна и та же поверхность нагрева омывается попеременно то нагреваемым, то   охлаждаемым веществом (регенераторы мартеновских и стеклоплавильных  печей, регенеративные воздухоподогреватели мартеновских печей и котельных агрегатов). В смесительных теплообменниках  теплота передается при непосредственном контакте  охлаждаемого и нагреваемого  веществ (башенные охладители – градирни, скрубберы, дегазаторы и т.п.). К числу теплообменных аппаратов относятся тепловые трубы.

Повторное использование материалов (materials recycling) – 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 (refuse, waste) – 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 (refusederived fuel) – 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.

1.1.5 Экономия энергии, достигаемая в результате организационных  изменений и внедрения новых систем

Замещение (substitution) – 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 (total energy system) – 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).

Теплоэнергоцентраль (combine heat and power station; cogeneration plant) – тепловая электростанция, вырабатывающая и отпускающая потребителям одновременно электрическую энергию и теплоту. На теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) устанавливают преимущественно тепло-фикационные турбины. Используемый на ТЭЦ комбинированный цикл  одновременного производства электроэнергии и теплоты позволяет по сравнению с раздельной их выработкой значительно повысить эффективность использования топлива, увеличить КПД электростанции, снизить себестоимость вырабатываемой энергии. Согласно МИРЭС ТЭЦ – это тепловая электростанция, в которой весь пар, вырабатываемый в котельных установках, проходит через турбоагрегаты для производства электроэнергии и в которой предусмотрена возможность использования для теплоснабжения и для технологических процессов, как отработавшего пара, поступающего из выхлопного патрубка, так и более высокопотенциального пара, отбираемого из промежуточных отборов турбины.

Электроэнергия и теплота являются основными видами продукции ТЭЦ, соотношение  уровней производства которых регулируется в зависимости от потребности в них. В последние годы  получили распространение  установки по комбинированному производству электроэнергии и теплоты, оборудованные газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания. В таких установках  на базе теплоты горючих выхлопных газов с помощью теплообменников производится пар или горячая вода для теплоснабжения. В этом случае теплота является не основным, а побочным продуктом установки.

1.1.6 Тепловые насосы и отопительные теплонасосные системы

Тепловой насос (heat pump) – машина, позволяющая осуществлять передачу теплоты от менее нагретого тела (окружающей среды – воздуха, грунтовых вод, грунта, вентиляционных выбросов, сбросной теплоты установок и т.д.) к более нагретому телу, повышая его температуру и затрачивая при этом механическую энергию. Процессы, происходящие в тепловом насосе, обратны процессам, осуществляемым рабочим телом в холодильной машине. Предельный теоретический  цикл теплового насоса – обратный цикл Карно.

Теплонасосная установка (heat pump plant) состоит из теплового насоса, установки для отбора теплоты от ее источника и другого оборудования.

Отопительная теплонасосная система (heat pump heating system) – система теплоснабжения, основным элементом которой наряду с распределительной системой теплоты является тепловой насос; в систему может также входить аккумулятор теплоты и резервный источник ее получения. В зависимости от источника теплоты и используемого теплоносителя  тепловые насосы и отопительные теплонасосные системы  классифицируются следующим образом: воздух – воздух, воздух – вода, вода – воздух, вода – вода, грунт – воздух, грунт – вода.

Прочие термины (приводятся лишь некоторые термины, прямо или косвенно относящиеся к энергосбережению и имеющие также широкое распространение в других сферах энергетического хозяйства).

Энергетический ресурс (energy resource) – запасы энергии, которые при данном уровне техники могут  быть использованы для энергоснабжения.

Энергетические ресурсы по характеру возникновения делятся  на невозобновляемые  (органическое, ядерное, термоядерное топливо) и возобновляемые (энергия водных потоков, солнечного излучения, ветра, биомассы, отливов и приливов, геотермальная).

По характеру использования энергетические ресурсы делятся на традиционные (органическое топливо, водные потоки) и нетрадиционные  (энергия моря, биомассы, геотермальная).

Первичный энергоресурс (primary energy resource) – энергоресурс (уголь, сырая нефть, природный газ, ядерная энергия, гидроэнергия), который не был подвергнут переработке или преобразованию.

Энергоноситель (energy carrier) – энергетический ресурс, непосредственно используемый на стадии конечного потребления, предварительно облагороженный, переработанный, преобразованный, а также природный энергетический  ресурс, потребляемый на этой стадии.

Энергетическая технология (energy technology) - та область технологии, которая связана с производством, преобразованием, аккумулированием, распределением и использованием энергии.

Коэффициент полезного использования первичных энергоресурсов         (coefficient of useful consumption of primary energy resources) – отношение подведенной (конечной) энергии ко  всему объему первичных энергоресурсов, поступивших в приходную часть энергетического баланса.

Энергетический баланс (energy balance) – система показателей, характеризующих процесс преобразования энергии или снабжения ею потребителей и  отражающая  равенство подведенной энергии с одной стороны, и суммы полезной энергии и ее потерь, с другой.

 

1.2 Государственная программа энергосбережения в Республике Казахстан

 

В мае 1996г Правительство Республики Казахстан  одобрило разработанную Министерствами энергетики и угольной промышленности и экономики программу энергосбережения в стране и план первоочередных мероприятий ее реализации. Главная цель проведения государственной политики энергосбережения – снижение удельных расходов всех видов энергоносителей на единицу продукции, работ и услуг при сохранении эффекта от их использования.

 

Таблица 3 - Сравнительный расход энергоресурсов в США и Казахстане на производство аналогичной энергоемкой продукции в 2000г /2/

 

 

Производство

Расход энергоресурсов на

1 тонну продукции, т.у.т.

Расход энергии на тыс. долларов продукции, т.у.т./тыс. дол

США

Казахстан

США

Казахстан

Добыча медной руды

0,87

1,62

3883,8

11875,5

Добыча свинц. и цинк. руды

0,13

0,64

491,7

2754,0

Выплавка меди

0,49

0,99

491,7

2754,0

Электролиз меди

0,036

0,073

300,0

600,0

Электролиз цинка

 

0,97

3050,0

3115,0

Добыча угля открытым способом

0,007

0,0014

11,2

12,1

Подземная добыча угля

0,004

0,004

22,4

34,3

Производство желтого фосфора

6,189

8,912

12843,0

17350,0

Прокат черных металлов

 

 

123,0

190,0

Сталь

 

 

152,0

650,0

Чугун

 

 

240,0

670,0

 

 

 

Таблица 4 - Энергоемкость ВВП по видам конечной энергии в 2000г /2/

 

Виды энергии

Абсолютная, ГДж/тыс. дол

Мир

Европа

Казахстан

Электрическая

1,42

1,47

3,6

Тепловая

4,51

3,29

12,57

Механическая

0,51

0,48

1,08

Химическая

0,33

0,44

0,703

Всего

6,77

5,68

17,95

 

Предполагается, что при этом существенно снизится отрицательное воздействие  от энергопроизводящих и энергопотребляющих технологий на окружающую среду без дополнительных затрат на оснащение объектов  оборудованием по улавливанию вредных выбросов, высвободятся значительные инвестиционные ресурсы, требующиеся для обновления и расширения энергопроизводства, за счет высвобождения энергоресурсов  повысится экспортный  потенциал энергодобывающих и энергопроизводящих отраслей.

 

 

Рисунок 3 - Вклад основных парниковых газов в антропогенную составляющую парникового эффекта /2/

 

Весьма важны и другие сопутствующие эффекты. В частности, ограничится рост затрат производства и расходов населения на энергоносители, смягчив тем самым финансовый кризис  и инфляционный эффект от повышения цен на энергоносители, продлятся сроки использования национальных запасов невозобновляемых топливных ресурсов, повысится технологический уровень промышленности за счет инвестиций в производство энергосберегающего оборудования. Для достижения намеченных программой целей предусмотрены законодательная поддержка реализации ее мероприятий; предложения по организационно-управленческим схемам на разных уровнях; экономические стимулы энергосбережения  и механизмы финансирования; научно-технические, технологические мероприятия.

Закон Республики Казахстан «Об энергосбережении» принят  25 декабря 1997года. Он регулирует общественные отношения в области энергосбережения с целью создания экономических и организационных условий для эффективного использования топливно-энергетических ресурсов Республики Казахстан и охраны окружающей среды/5/.

Закон состоит из шести глав. Глава 1 «Общие положения» содержит  четыре статьи. В первой статье даны основные понятия, используемые в Законе. Часть из них совпадает с рассмотренными выше понятиями, принятыми МИРЭС в области энергосбережения. Так, энергосбережение в соответствии с Законом, - деятельность (организационная, научная, практическая, информационная),  направленная на рациональное и экономное использование топливно-энергетических ресурсов.

Политика в области энергосбережения – правовое, организационное и финансово-экономическое регулирование деятельности в области энергосбережения.  Кроме этих, даны  понятия:  эффективное использование топливно-энергетических ресурсов – достижение высокорезультативного, технически возможного, экономически выгодного использования топливно-энергетических ресурсов  при существующем уровне развития техники и технологий и одновременно снижении техногенного воздействия на окружающую среду. Показатель эффективности использования топливно-энергетических ресурсов - регламентируемая  в нормативах и стандартах величина удельного расхода  топлива и энергии для данной продукции, работ или услуг. Объекты энергосбережения – процессы, связанные с добычей, переработкой, транспортировкой, производством, хранением и использованием всех видов топливно-энергетических ресурсов, тепловой и электрической энергией.

Законодательство  Республики Казахстан в области энергосбережения  основывается на Конституции Республики Казахстан, состоит из настоящего Закона, а также иных нормативных правовых актов Республики Казахстан.

В Статье 3 Закона сформулированы основные принципы государственной политики в области энергосбережения.

Ими являются:

-         приоритет повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов над ростом объемов их добычи и производства тепловой и электрической энергии;

-         приоритетность обеспечения безопасности и здоровья человека, социально-бытовых условий его жизни, охраны окружающей среды  при добыче, производстве, переработке, транспортировке и использовании топливно-энергетических ресурсов и (или) энергии;

-         осуществление государственного регулирования в области энергосбережения;

-         необходимость экономической поддержки энергосбережения, стимулирование использования  возобновляемых источников энергии;

-         обязательность достоверного учета производимых и расходуемых топливно-энергетических ресурсов;

-         сочетание интересов производителей, поставщиков и  потребителей топливно-энергетических ресурсов;

-         системный подход в энергосбережении;

-         реализация информационной, образовательной   и научно-исследовательской деятельности в области энергосбережения.

В Статье 4 Закона рассматриваются основные направления энергосбережения. К ним относятся:

-         стабилизация производства и потребления энергии, необходимой для интенсивного развития национальной экономики;

-         оптимизация режимов  производства и потребления энергии, организация  ее  учета и контроля;

-         проведение экспертизы  энергосбережения продукции, действующих и реконструируемых объектов, технологий и оборудования;

-         развитие возобновляемых источников энергии;

-         утилизация вторичных энергетических ресурсов и отходов;

-         реализация проектов по внедрению  энергоэффективной техники и продукции, передовых технологий;

-          внедрение научных исследований и новых способов управления в этой области;

-         сокращение потерь топливно-энергетических ресурсов при их добыче, преобразовании, транспортировке, хранении и потреблении;

-          обеспечение точности, достоверности и единства  измерения в части учета отпускаемых  и потребляемых энергетических ресурсов;

-         внедрение новых и совершенствование действующих строительных норм и правил, обеспечивающих сбережение энергоресурсов.

Во второй главе Закона обсуждается государственное регулирование в области  энергосбережения, рассматривается организация системы энергосбережения, устанавливается порядок учета и контроля энергоресурсов, нормирования, стандартизации и сертификации в области энергосбережения.

Статья 12  Закона посвящена экспертизе энергосбережения.

Экспертиза энергосбережения проводится в целях оценки эффективного использования  энергетических ресурсов и снижения затрат потребителей на обеспечение топливно-энергетическим ресурсами.

Экспертизе по энергосбережению подлежат:

-     проекты схем развития и размещения производительных сил, проекты развития отраслей народного хозяйства, территориальные схемы энергоснабжения, техническая документация, связанная с энергосбережением;

-     технико-экономические обоснования и проекты строительства новых и расширения (реконструкция, технического переоборудования, модернизации) действующих  объектов и предприятий с годовым потреблением топливно-энергетических ресурсов в 500 тонн и выше условного топлива.

Положение по проведению экспертизы энергосбережения  утверждается Правительством Республики Казахстан.

В следующих главах  Закона рассматривается экономический механизм и определены условия стимулирования энергосбережения, обсуждаются вопросы использования возобновляемых энергетических ресурсов, образования, информационного обеспечения и научных исследований в области энергосбережения, международного сотрудничества в области энергосбережения.

Нормативно правовая база по энергосбережению постоянно расширяется  и совершенствуется /6-9/.

 

1.3 Метод предельного энергосбережения

 

Проблема энергосбережения – важнейшая из проблем, поставленная современной наукой и практикой. Она является значительной для отраслей промышленного производства, основанных на теплотехнологии, так как здесь не только заключены крупные резервы экономии топлива, теплоты, энергии, но и широки возможности их практической реализации.

Реализация этих резервов возможна только на базе научно-технического прогресса промышленного производства.

Главная задача  в области энергетики теплотехнологии – разработка, исследование и создание энергосберегающего теплотехнологического оборудования для реконструкции действующих и реализации принципиально новых безотходных теплотехнологических процессов и систем.

Такая задача для своего решения требует фундаментальных исследований в области энергетики теплотехнологии, разработки и формирования  эффективной методологии научного поиска /10/.

Исследования должны быть направлены:

-   на установление принципиально достижимых предельно низких уровней удельного расхода топливно-энергетических ресурсов (в основных теплотехнологиях энергоемких отраслях промышленного производства);

-   на выявление резервов снижения норм удельного расхода топливно-энергетических ресурсов;

-   на разработку конкретных направлений, способов, технических средств наиболее полного использования этих резервов.

Таким образом, формируется методология поиска энергосберегающих теплотехнологических систем с  такими основными направлениями, как:

-        энергосберегающая технология;

-        энергосберегающие тепловые схемы оформления технологии;

-        энергосберегающее оборудование.

Рассмотрим первое базовое направление – энергосберегающая технология.

Теплотехнология – совокупность методов преобразования исходного сырья, материалов и т.д. в заданный продукт на основе изменения теплового состояния вещества. Применительно к теплотехнологии энергосберегающая это такая технология, которой соответствует наиболее низкий уровень потребления теплоты сырьевыми материалами в процессе их преобразования в товарный продукт, или это такая технология, которой соответствует максимальное значение  коэффициента энергосбережения технологии.

К наиболее существенным факторам, снижающим коэффициент энергосбережения теплотехнологии, относятся:

-        наличие потерь теплоты в окружающую среду технологическими продуктами;

-        многооперационность  ряда технологий, реализуемых в периодическом режиме работы установок, что, как правило, связано с большим числом прямых и длительных контактов полупродуктов с окружающей средой;

-        использование многоводных вариантов технологических процессов (например, мокрый способ производства цементного клинкера);

-        наличие энергоемких стадий предварительной механической обработки сырьевых материалов;

-        наличие значительных, товарно не используемых, технологических отходов.

Наивысшие возможности энергосбережения технологии открываются на основе реализации принципов безотходной технологии.

Можно отметить следующие пять принципов безотходной теплотехнологии:

-        обеспечение комплексного и полного товарного извлечения   всех компонентов исходного сырья, полуфабрикатов, материалов, т.е. технология должна быть ресурсосберегающей;

-        наличие наиболее низкого уровня теоретически необходимого общего энергопотребления в процессе комплексной переработки исходного сырья, полуфабрикатов, материалов, т.е. технология должна быть энергосберегающей;

-        наличие в технологии наиболее низкого уровня водопользования, т.е. технология должна быть маловодной;

-        обеспечение охраны окружающей среды, т.е. технология должна быть экологически совершенной;

-        создание благоприятных производственных условий для человека, т.е. технология должна быть безопасной и легкоуправляемой.

Формируемые на базе этих принципов конкретные теплотехнологии будут потенциально направлены на высший уровень энергосбережения.

Энергосберегающие мероприятия в теплотехнологии сводятся к следующим  трем группам. Утилизационные, в задачу которых входит использование имеющихся отходов теплоты и потенциалов энергии. Энергетической модернизации – снижение отходов теплоты, энергии в действующих установках и системах. Эти две группы мероприятий являются традиционными и не отличаются  масштабностью энергосберегающего эффекта. Мероприятия третьей группы, интенсивного энергосбережения, решают принципиально новую задачу - достижение в теплоэнергетическом объекте одномоментного предельно высокого крупномасштабного энергосберегающего эффекта, называемого потенциалом резерва интенсивного энергосбережения. Он достигается на базе изменения принципиальных   основ технологии  и   техники,   управления,     повышения качества технологической продукции и полноты ее использования.

Максимальный энергосберегающий эффект может быть достигнут только на основе энергетического анализа замкнутых теплотехнологических комплексов и на основе мероприятий интенсивного энергосбережения.

Предельно полный резерв экономии топливно-энергетических ресурсов в теплотехнологическом комплексе страны может быть выявлен на основе анализа совокупности замкнутых комплексов и на базе мероприятий интенсивного энергосбережения, которые можно объединить в следующие группы:

-        технологическую;

-        энергетическую;

-        теплотехническую;

-        техническую.

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.

Итогом реализации энергетических мероприятий  являются энергосберегающие тепловые схемы технологических объектов и энергосберегающие источники энергии. Эталоном энергетического совершенства выступает термодинамически идеальные модели теплотехнологических объектов. В число энергетических мероприятий помимо традиционных входит широкий круг новых (использование нетрадиционных источников энергии).

Группа теплотехнических мероприятий диктует поиск новых высокоэффективных и, как правило, принципиально новых теплотехнических способов организации теплотехнологического процесса.

Группа технических мероприятий предусматривает применение энергосберегающего технологического оборудования нового поколения.

Рассмотренные мероприятия реализуют крупномасштабный принципиально возможный резерв энергосбережения и демонстрируют широкий спектр методов его практического достижения.

Вторая фундаментальная основа для создания систем с наиболее высоким энергосберегающим эффектом  закладывается разработкой  энергосберегающих тепловых схем. Для плодотворного решения задач по этому направлению целесообразно стимулировать рассмотрение как можно большего числа вариантов тепловых схем, наиболее полно отражающих принципиальные  пути достижения предельно высокой энергоэкономичности конкретных теплотехнологических процессов.

Возможность такого подхода, в первую очередь, открывается на основе  применения принципов термодинамически идеальных технологических установок и анализа их тепловых схем, изыскания возможности реализации  безотходности не только собственно технологического процесса, а и технологического оборудования.

Конечный результат цели поиска энергосберегающих технологических систем будет определяться энергосберегающими характеристиками оборудования этих систем. В связи с этим создание энергосберегающего оборудования  рассматривается как третье фундаментальное направление  в поиске и реализации  энергосберегающих теплотехнологических систем.

Необходимыми предпосылками решения задач этого направления являются:

-        разработка, исследование и реализация эффективных теплотехнических принципов (способов) осуществления технологических процессов и их отдельных стадий;

-        разработка, исследование и реализация эффективных способов организации тепло – энергоиспользования в нетехнологических устройствах производственных систем;

-        разработка и оптимизация конструктивных схем технологических реакторов, теплотехнических элементов установок и их компоновок, наиболее полно реализующих принятые высокоэффективные  теплотехнологические принципы.

Рассмотренная  методология неизбежно приводит  к решениям,  потенциально и практически направленным на  предельно высокие уровни энергосбережения, на создание теплотехнологических систем с наиболее высокими энергетическими характеристиками, поэтому она получила название метода предельного энергосбережения.

 Метод предельного энергосбережения – это методология поиска  направлений, способов, принципов технических средств реализации наиболее низкого уровня общих затрат первичных топливно-энергетических ресурсов  на комплексную  технологически, экологически и экономически эффективную  переработку исходного сырья, материалов в совокупность товарных продуктов  (схема 1).

Таким образом, решение  задач создания энергосберегающих теплотехнологических установок и систем на базе метода предельного энергосбережения основано на одновременном  решении задач создания материалосберегающих и экологически совершенных  установок и систем.

Традиционная методическая основа решения задач энергосбережения, отличающаяся  дискретностью энергетического анализа, как правило, в узких границах  отдельных теплотехнологических установок оказывается беспомощной  перед проблемой  выявления полного резерва экономии топливно – энергетических ресурсов и главных направлений  его реализации.

 

Схема 1 - Методология поиска вариантов  теплотехнологических систем (установок) с предельно высоким энергосберегающим эффектом

(метод предельного энергосбережения)

    ПОСТАНОВКА       Разработать систему (установку), реализующую

           ЗАДАЧИ            заданную  теплотехнологию  (теплотехнологический

                                       процесс)  с предельно высоким энергосберегающим

                                       эффектом

 

 


                                 ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ

ТЕХНОЛОГИЯ

 

 


                                                        Принципы

                                                       безотходной

                                                        технологии

 

 


                                      Теплотехнологическая 

схема комплекса

(системы)

 


Теплотехнологическая

схема системы

(установки)

 


Температурный и

тепловой графики

теплотехнологических

процессов

 

 

 

 


 

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ

ТЕПЛОВЫЕ СХЕМЫ

 

 

 


                

                Принципы                                                           Принципы 

             термодинами-                                                        безотходных

            чески идеальных                                                    теплотехно-

                 установок                                                            логических

                                                                                                установок 

 

 

 

             Источники                                                              Тепловые схемы

              энергии                                                                       идеальных 

                                                                                                   установок 

     

 

                                         Тепловая схема

теплотехнологической

системы (установки)

 

 


Теплотехнические

принципы

 

 

 


Теплотехническая

схема системы

(установки)

 

 

 

 

 

 

 

 


ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ

ОБОРУДОВАНИЕ

 

 


Общие

критерии

энергетического,

технологического,

технического,

экономического и

экологического

совершенства

систем

(установок)

 

 


Принципиальные конструктивные

схемы  теплотехнологических

установок

 

 


Последовательные стадии

проектирования и реализации

 

 


ЭНЕРГО - И  МАТЕРИАЛОСБЕРЕГАЮЩАЯ,

ЭКОЛО ГИЧЕСКИ СОВЕРШЕННАЯ

ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ

СИСТЕМА (УСТАНОВКА)

 

 

 

Необходим другой подход, который полностью реализуется через концепцию интенсивного энергосбережения, общая методическая база разработки и формирования которой для отраслевых теплотехнологических комплексов включает:

-        метод предельного энергосбережения как конкретный алгоритм системного подхода к реализации энерго – и материалосберегающих и экологически безопасных теплотехнологических объектов;

-        комплекс критериев оценки энергетической эффективности не только отдельных установок, но и крупных замкнутых энергосистем и комплексов;

-        структуры последовательных этапов разработки концепции, итоги которых одновременно являются конкретной научно – технической продукцией. К числу этой продукции относятся термодинамически идеальные и технически осуществимые модели теплотехнологических комплексов, на основе характеристик которых выявляются как принципиальные, так и практически реализуемые резервы энергосбережения, и одновременно выявляются энергосберегающие мероприятия.

В настоящее время имеются достаточные научно – методические, энергетические и теплотехнические предпосылки для  разработки концепции интенсивного энергосбережения применительно к отраслевым теплотехнологическим системам и комплексам.

Подпись: ?

 

 


Вопросы и задания

 

1.Что такое первичная энергия? Приведите классификацию первичных энергоресурсов. Назовите ориентировочные сроки исчерпания запасов органического топлива в мире и Казахстане.

2. Дайте характеристику запасов и  объемов добычи угля, нефти и газа в  мире  и   Казахстане  за последние 10 - 20 лет.

3. Оцените перспективы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии в мире и Казахстане в ближайшие 20 лет.

4.Охарактеризуйте главные задачи политики энергосбережения в Казахстане, поясните их конкретными примерами.

5.На каких принципах основана энергетическая политика Республики Казахстан?

6.Проведите классификацию терминам и определениям энергосбережения.

7. Назовите и дайте определения общим терминам энергосбережения.

8.Раскройте смысл метода предельного энергосбережения

9.Опишите алгоритм методологии поиска вариантов  теплотехнологических систем (установок) с предельно высоким энергосберегающим эффектом.

10.Назовите основные модули модели мировой экономики (ММЭ).

11.Оцените динамику мирового спроса на первичные энергоресурсы в соответствии с ММЭ.

12.Охарактеризуйте динамику потребления энергоресурсов в электроэнергетике РК.

13.Дайте оценку потенциальным ресурсам использования НВИЭ в Казахстане. Что препятствует использованию НВИЭ?

14.Проведите сопоставление расхода энергоресурсов в США и Казахстане на производство аналогичной энергоемкой продукции.

15.Какова роль международного сотрудничества   в области энергосбережения?

16. Какие показатели  включаются в государственные стандарты на энергопотребляющую продукцию?

 

Список литературы

 

1. Журнал «Теплоэнергетика».- № 5.- 1995.

2. Дукенбаев К. Энергетика Казахстана. Условия и механизмы ее устойчивого развития. - Алматы, 2004.- 604 с.

3. Дукенбаев К. Энергетика Казахстана. Технический аспект. - Алматы, 2001.- 312 с.

4. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / Под ред. В.А. Григорьева и В.М.Зорина. Кн.4.- М.:Энергоатомиздат,1991.-588 с.

5. Закон Республики Казахстан «Об энергосбережении» №210-1 ЗРК от 25.12.1997.

6. Постановление Правительства РК «Об утверждении Плана мероприятий на 2003-2005годы по реализации Стратегии индустриально-инновационного развития РК на 2003-2015г» №712-1 от 17.07.2003.

7. Программа энергосбережения. Постановление Правительства РК №474 от 19.04.96.

8. Концепция экологической безопасности Республики Казахстан на 2004-2015 годы № 1241 от  03.12.2003

9. Программа развития электроэнергетики до 2030г. Постановление Правительства РК №384 от 09.04.1999г.

10. Ключников А.Д. Энергетика теплотехнологии и вопросы  энергосбережения. - М.: Энергоатомиздат,1986.-173с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Основные направления энергосбережения в топливно-энергетическом комплексе и отраслях промышленности

 

В Казахстане основным внутренним источником первичной энергии является   уголь в силу его значительных запасов и дешевизны. Доля угля в общем объеме потребления первичных энергоресурсов  составляет около 67%, доля нефти - 20%, газа - 13%. Уголь обеспечивает 80% потребности электроэнергетики страны в топливе, на долю газово-мазутного топлива приходится 10-12%, а на долю энергии воды – 8-10%.

 

2.1 Энергосбережение в электроэнергетике, газовой, угольной, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности

 

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) является крупнейшим потребителем энергетических ресурсов (ЭР), во много раз превышая по этому показателю все другие народнохозяйственные комплексы.

Эффективное развитие и функционирование ТЭК, всех его отраслей, обеспечивает энергетическую безопасность страны, а также улучшение состояния окружающей среды.

В настоящее время  предлагаются методики расчета устойчивого развития электроэнергетики, определения путей оптимального использования топливно-энергетических ресурсов на основе методологии «Глобальной энергетической модели»GEM-10R /1/.

К факторам, играющим важнейшую роль в обеспечении энергетической безопасности Казахстана, можно отнести /6/:

-способность ТЭК страны выполнять свои функции, обеспечивая необходимый объем поставок качественных ТЭР, стабильное функционирование  и устойчивое прогрессивное  развитие всех отраслей народного хозяйства, и приемлемый уровень жизни и труда населения;

-способность потребителей и народного хозяйства в целом  рационально, бережно расходовать ЭР, последовательно реализуя потенциал энергосбережения, а также ограничивать спрос на энергоресурсы, снижая напряженность, дефицитность  баланса ЭР;

-сбалансированность реального потенциала поставок энергоресурсов и спроса на них - суммы внутреннего потребления  и экономически обоснованного экспорта, с некоторым превышением потенциала над спросом;

-наличие созданных государством, обществом, экономикой  благоприятных социально-экономических и международных условий для реализации поставщиками и потребителями ТЭР своих способностей, указанных выше факторов.

Топливно-энергетический комплекс располагает большими возможностями в области энергосбережения за счет:

- теплофикации;

- демонтажа и модернизации устаревшего оборудования;

- совершенствования привода компрессоров газопроводов.

Важнейшие направления энергосбережения в ТЭК:

-     расширение применения используемых, создание и внедрение новых типов маневренных конденсационных и теплофикационных электростанций;

-     внедрение парогазовых энергоустановок с внутрицикловой газификацией угля;

-     строительство линий электропередач высокого и сверхвысокого напряжения повышенной пропускной способности (с пониженными потерями электроэнергии) постоянного и переменного тока, с усовершенствованной геометрией расположения проводов, оптимальными токовыми нагрузками;

-     использование тепловых насосов для целей централизованного теплоснабжения, эффективных теплоизоляционных материалов для канальных и бесканальных теплопроводов;

-     внедрение укрупненных технологических схем переработки газа, газового конденсата и нефти;

-     использование новых технологических процессов и оборудования;

-     совершенствование внутриотраслевой производственной структуры путем  централизации электро-, тепло- и газоснабжения потребителей, увеличение использования комбинированных способов производства и преобразования ЭР;

-     совершенствование топливо - и энергоснабжения промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых потребителей;

-     увеличение использования вторичных энергетических ресурсов  (ВЭР) за счет утилизации теплоты уходящих газов ГТУ нагнетателей магистральных газопроводов и сбрасываемой в конденсаторы турбин теплоты электростанций, работающих на ядерном и органическом топливе;

-     создание систем с использованием  теплоты ТЭЦ в летнее время, при централизованной выработке холода в системах кондиционирования воздуха в зданиях.

Важными и менее затратными являются  организационно – технические мероприятия энергосбережения:

- действенный контроль и учет за расходом электроэнергии; 

- демонтаж, реконструкция и модернизация физически и морально устаревшего оборудования электростанций и котельных;

- совершенствование уровня эксплуатации и улучшение технологии и качества ремонтных работ; 

- реконструкция тепловых сетей с целью уменьшения потерь тепла за счет улучшения теплоизоляционного покрытия, оснащения их средствами автоматического регулирования и учета;

- совершенствование процессов сбора, хранения, транспортировки и переработки нефти, конденсата и природного газа;

- снижение затрат энергии на подготовку топлива к транспортировке.

Наряду с экономией ЭР, вторым важным аспектом энергосберегающей политики в комплексе служит замещение принципиально ограниченных и быстро дорожающих ресурсов органического топлива (углеводородов) крупномасштабными и экономически стабильными, а также возобно-вляемыми ЭР.

Замещение по масштабам должно превышать экономию энергоресурсов. Направления замещения:

-         использование атомной энергии для производства электроэнергии и теплоты;

-         освоение нетрадиционных источников энергии.

 

Рисунок 4 – Динамика структуры  потребления  электроэнергии в РК /1/

 

Для предприятий - производителей энергии вопросы энергосбережения распространяются на соблюдение установленных расходов  топлива на отпущенную энергию; для предприятий,  транспортирующих и   распределяющих электроэнергию, - на величину технологических  потерь в электросети.

 

Таблица 5 - Потребность Республики Казахстан  в электрической

энергии, млрд. кВтч /1/

Структура

2000г

2005г

2010г

Всего по Казахстану

47,47

62,2

72,10

Промышленность

36,24

39,06

42,16

Население и прочие (с/х, малый бизнес)

8,16

12,4

18,28

Транспорт

3,07

3,72

4,76

Непроизводственные потери

6,90

6,82

7,20

 

 

 

 

Таблица 6 –Потребность Республики Казахстан в тепловой энергии и удельные показатели /1/

Показатели

2000г

2010г

Численность населения, млн.чел

14,9

15,7

ВВП, млрд.тенге

2600

5700

Теплопотребление, млн. Гкал

в том числе теплопотребление:

производственной сферы

непроизводственной сферы

150,8

 

34,3

116,5

190,9

 

58,7

132,2

Удельное теплопотребление в непроизводственной сфере,

Гкал/год·чел

Гкал/год·м2

при норме м2/чел

 

 

7,83

0,48

16,2

 

 

8,42

-0,44

19

Теплоемкость ВВП, Гкал на $1000ВВП в год

8,24

4,62

Уд. теплопотребление, Гкал / на чел. в год

10,14

12,2

 

Тепловые электрические станции являются основой современной энергетической отрасли республики. Главным недостатком ТЭС является низкий КПД - лишь 30-40% теплоты, полученной при сгорании топлива, используется полезно.

 

 

Q - теплота, полученная при сгорании топлива, Qэл - теплота, преобразованная в электроэнергию, потери теплоты: в котлоагрегате ΔQк, в турбоагрегате ΔQт, в трубопроводах ΔQтр, конденсаторе ΔQкн

Рисунок 5 –Тепловой баланс конденсационной электрической станции

Q - теплота, полученная при сгорании топлива, Qэл - преобразованная в электроэнергию, Qт – теплофикационная, потери теплоты: в котлоагрегате - ΔQк, в турбоагрегате - ΔQт, в трубопроводах -ΔQтр, конденсаторе -ΔQкн

Рисунок 6 –Тепловой баланс ТЭЦ

 

Как видно из приведенных балансов, совместная выработка тепла и электроэнергии  в одной установке позволяет экономить не менее 25% топлива, по сравнению с выработкой электроэнергии на КЭС, а тепла – в котельных.

Таблица 7 – Основные направления снижения удельных расходов топлива на ТЭС /5/

Мероприятия

Снижение удельного расхода топлива, г/кВт·ч

Модернизация конденсационных энергоблоков и оборудования неблочных электростанций, демонтаж физически изношенного оборудования

 

 

5,2

Повышение использования тепловой мощности теплофикационного оборудования действующих ТЭЦ  и увеличение уровня централизованной теплофикации жилищно-коммунального хозяйства

 

 

 

4,5

Ввод и освоение  крупных высокоэкономичных энергоблоков на закритические параметры, уменьшение производства электроэнергии на низкоэкономичном оборудовании

 

 

 

3,8

Доведение до проектных показателей работы действующего и вновь вводимого энергетического оборудования

 

 

1,5

                                                                                     Итого

15,0

Следующее направление энергосбережения при производстве тепло- и электроэнергии – снижение всех видов  потерь.

Основными потенциальными возможностями повышения КПД котлов  являются:

- улучшение эксплуатационных циклов работы котлов (регулирование нагрузки);

- повышение технологического обслуживания (качество механических связей, регулирующих количество подаваемого топлива и воздуха, работа контрольно-измерительных приборов котла, регулирование тонины помола угля, чистота котельных труб, поверхностей нагрева, качество изоляции и т.д.);

- улучшение регулирования  процесса горения (оптимальный уровень избытка воздуха, контроль расхода воздуха и  кислорода газоанализатором);

- установка теплоутилизационного оборудования (использование экономайзеров, воздухоподогревателей и усилителей турбулентности потоков);

- сведение к минимуму радиационных потерь;

- улучшение конструкций горелок;

-уменьшение расхода электроэнергии в связанных с работой котлов вспомогательных системах;

- применение новых режимов работы котлов.

 

Таблица 8 – Эффективность воздействия различных эксплуатационных факторов на  экономические характеристики котлоагрегатов /4/.

 

Мероприятие

Экономия топлива, %

Перерасход топлива, %

1

2

3

Снижение присосов воздуха по газовому тракту котлоагрегата на 0,1%

 

0,5

 

-

Увеличение коэффициента избытка воздуха в топке на 0,1%

 

-

 

0,5

Установка водяного экономайзера за котлом

 

5-6

 

-

Применение за котлоагрегатом установок глубокой утилизации тепла, использования скрытой теплоты парообразования уходящих дымовых газов

 

 

 

 

до 12

 

 

 

 

-

Применение вакуумного деаэратора

1

-

Отклонение содержания СО2 в уходящих дымовых газах от оптимального значения на 1%

 

 

0,6

 

 

-

 

 

 

1

2

3

Снижение температуры отходящих дымовых газов на 10% для сухих и влажных топлив

 

 

0,6  и  0,7

 

 

-

Превышение температуры питательной воды на входе в барабан котла на 10 0С (р=1,3МПа, КПД=0,8)

 

 

2,0

 

 

-

Повышение температуры питательной воды на входе в водяной экономайзер на  10 0С

 

 

-

 

 

0,23

Подогрев питательной воды  в водяном экономайзере на 6 0С

 

1,0

 

-

Увеличение продувки котла выше нормативных значений на 1%

 

-

 

0,3

Установка обдувочного аппарата для очистки наружных поверхностей нагрева

 

2,0

 

-

Наличие накипи толщиной 1мм на внутренней поверхности нагрева котла

 

-

 

2,0

Замена химически очищенной водой 1т невозвращенного в тепловую схему конденсата

 

 

-

 

 

20кг у.т.

Перевод  работы парового котла на водогрейный режим

 

2,0

 

-

Работа котла в режиме пониженного давления ( с 1,3 МПа)

 

-

 

6,0

Отклонение нагрузки котла от оптимальной на 10%

- в сторону уменьшения

- в сторону увеличения

 

 

-

-

 

 

0,2

0,5

Испытания (наладка) оборудования и эксплуатация его в режиме управления КИП

 

 

3,0

 

Утечка пара через отверстие 1мм при р=0,6МПа

 

-

 

3,6кг у.т.

Забор воздуха из верхней зоны котельного зала на каждые 1000м3 газообразного топлива

 

 

17кг у.т.

 

 

-

Повышение температуры воды на выходе из котла

 

4

 

-

 

Особенностью казахстанских углей является низкая калорийность и высокая зольность, что предъявляет требования к выбору технологии сжигания, определяющей эффективность использования органического топлива. Использование высокозольных углей вызывает повышенный износ энергооборудования, загрязнение поверхностей нагрева котлов, недопустимо высокие выбросы с дымовыми газами золы, оксидов серы и азота. Устранение этих недостатков при традиционных способах сжигания  угля может привести к большим капитальным и эксплуатационным затратам. 

Основными направлениями  развития угольных технологий являются:

- пылеугольное сжигание с полной очисткой уходящих газов;

- топки с кипящим слоем, атмосферные и под давлением;

- полная газификация угля с последующим сжиганием генераторного газа в комбинированных установках;

-  использование углеаэрозольных топлив /3/.

 

           

 


Рисунок 7 - Процент улучшения КПД на каждые 1% снижения избытка воздуха /2/.

 

 

 

Рисунок 8 – Приблизительные

значения улучшения КПД в зависимости от уменьшения

температуры отходящих газов. На прямых -  заданная температура

отходящих газов, 0С


       Одним из перспективных направлений генераторостроения является использование явления сверхпроводимости. Внедрение криотурбогенераторов  КТП-20 мощностью 20МВт, созданных в России /5/, снижает потери электроэнергии в 2 раза и  в 2-2,5 раза уменьшает массогабаритные показатели, увеличивает реактивную мощность в режиме потребления.

В настоящее время на ТЭС и ТЭЦ  наряду с паротурбинными установками (ПТУ) получают распространение парогазовые установки (ПГУ), работающие по комбинированной схеме. В первой ступени ПГУ с газовой турбиной в качестве первичного источника энергии и рабочего тела используется природный газ, а вторичным рабочим телом являются продукты сгорания. Во второй ступени источником энергии служат выхлопные газы турбины, а рабочим телом - пар, генерируемый в парогенераторе с их помощью. За счет реализации такой схемы на ТЭЦ увеличивается средняя температура подвода и уменьшается средняя температура отвода теплоты,   что приводит к росту полезной работы и  доли выработки электроэнергии с 36 - 45 до 38 - 55%.  Внедрение паротурбинного оборудования для ПГУ мощностью 10-15 МВт может обеспечить сокращение удельного среднего расхода топлива на 20-25% и  удешевить строительство на 20-25%. Освоение котлов-утилизаторов за ПГУ различной производительности позволит сэкономить до 20% топлива. В настоящее время  в мире разработано и комплексно поставляется около 150 моделей ПГУ мощностью от 6,6 до 972 МВт.

1 - компрессор; 2 -  камера сгорания; 3 -  газовая турбина; 4 - генератор;

5 - котел-утилизатор тепла

Рисунок 8 - Высокотемпературный цикл газотурбинной установки

 

 

1 - котел; 2 - паровая турбина; 3 - генератор

Рисунок 9 - Высокотемпературный цикл паротурбинной установки

 

Таблица 9 – Экономичность ГТУ с обычными охлаждаемыми

воздухом  роторами и ПГУ

Начальная температура газов, 0С

1200

1300

1400

1500

Степень сжатия, МПа

13

15

17

20/25

КПД ГТУ,%

33

35

37

38,5/40

КПД ПГУ,%

50

52

55

58/60

 

 

Предлагается способ сжигания твердого топлива (схема на рисунке 11) для углей ухудшенного качества в условиях технического перевооружения и реконструкции ТЭС, при установке новых котлов в ячейки демонтируемого  устаревшего оборудования /5/.

1 - газовая турбина; 2 - генератор; 3 – котел-утилизатор; 4 - паровая турбина; 5 - генератор

Рисунок 10 - Ступенчатое использование энергии при комбинированном цикле

Рисунок 11 - Схема газотурбинного цикла с непрямым сжиганием угля, включающая: пиролизер угля; двухступенчатый высокотемпературный воздухоподогреватель с керамическими компонентами; предтопок для сжигания кокса с удалением шлака в жидком виде.

 

Основные потери в угольной промышленности связаны с недостаточной степенью извлечения угля из пластов, его выдуванием при транспортировке, слабой степенью утилизации метана при шахтной добыче угля. Так, в 2000г шахтами «Испат-Кармет» в процессе добычи углей выделено 355 млн. м3 метана, дегазацией извлечено 41 млн. м3, остальные  выброшены в атмосферу. Из 41 млн. м3 утилизировано всего 12,5 млн. м3 /1/.

Для энергосбережения  необходимо разработать:

-     пленочные покрытия;

-     технологии брикетирования;

-     установки для утилизации метано - воздушной смеси;

-     обогатительные установки для извлечения угля из углесодержащих пород вскрыши;

-     получение продуктов газификации угля на месте залегания (подземная газификация);

-     использование на ТЭС водо- угольных суспензий (их перекачка по трубопроводам снижает капитальные затраты на транспортировку по железной дороге в 3-4 раза и стоимость производства электроэнергии на 30 – 40%);

-     обработку пластов поверхностно-активными веществами, которые снижают их прочность на 30 – 40 %, что обеспечивает снижение затрат на извлечение.

Угольные месторождения – комплексные ценные ресурсы: метан, металлы в угле, шахтные воды, подземное пространство, тепло недр, которые необходимо использовать в полной мере.

Потери энергоресурсов в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей  отрасли  связаны:

-     с недостаточно высоким коэффициентом излечения нефти из пластов;

-     низким уровнем использования действующих скважин;

-     малой эффективностью технологических процессов нефтепереработки, недостаточным использованием ВЭР.

Для повышения энергетической  эффективности необходимо:

-     разработать средства воздействия  на нефтяные пласты различными химическими реагентами, парами высокого давления, горячей водой, сжатым газом;

-     освоить нефтедобывающее оборудование с погружными диафрагмовыми энергонасосами, длинноходовыми глубинно-насосными установками;

-     провести автоматизацию газлифтных скважин.

Одно из направлений энергосбережения – более глубокая переработка нефти и высокосернистых мазутов с каталитическим крекингом вакуумных  газойлей.

Первичный энергетический потенциал газа в Казахстане используется пока на низком уровне по следующим причинам:

- структура месторождений (большинство относится к категории мелких);

- недостаточная мощность газоперерабатывающих заводов;

- отсутствие межотраслевой стратегии по переработке попутного газа;

- слабые экологические и  ресурсосохранные требования /1/.

 

2.2 Энергосбережение в отраслях промышленности

 

Промышленность наряду с ТЭК является крупнейшим потребителем энергоресурсов, на ее долю приходится  более 50%  всего энергопотребления.  В течение последних лет достигнуты  успехи в снижении удельных затрат топлива, электроэнергии и теплоты на производство продукции. Однако средний коэффициент полезного использования энергоресурсов  в промышленности составляет около 30%, а в некоторых отраслях  в несколько раз ниже.

Если рассматривать промышленное предприятие как систему, то можно установить, что с одной стороны имеются затраты энергии, сырья и труда, с другой – выпуск продукции, выход вторичных энергоресурсов (ВЭР) и материалов. Для получения максимальной прибыли, необходимо снижение издержек производства. Энергетическим затратам, в условиях постоянно увеличивающихся  цен на энергию, следует уделять должное внимание.

  

Подпись: Производственный процесс

Рисунок 8 – Система промышленного производства

 

Экономить энергию можно как  усовершенствованием  процесса превращения энергии утилизации вторичных энергоресурсов, так и  повторным использованием вторичных материалов. Большие возможности  имеются в таком использовании технологии, чтобы она обеспечила достижение значительной экономии энергии. Но для  того, чтобы  определить области возможной экономии, необходимо:

а) выяснить, где заключается и каков потенциал энергосбережения;

в) определить эффективные и экономически оправданные меры энергосбережения.

Как показывают многие исследования в промышленном производстве возможно достижение не менее 30% экономии энергии в результате внедрения мер энергосбережения /1-4/.

Основными направлениями совершенствования технологических процессов с целью повышения эффективности использования энергетических ресурсов в промышленности являются:

-  повышение уровня утилизации ВЭР;

-  осуществление комплекса организационно-технических мероприятий, направленных на улучшение системы учета и контроля расхода энергоресурсов на всех уровнях производства;

-  расширение использования применяющихся, создание и внедрение  новых энергосберегающих технологий, оборудования, менее энергоемких конструкционных и строительных материалов;

-  совершенствование действующих технологических процессов, модернизация и реконструкция основных фондов при непременном улучшении их энерготехнологических характеристик.

 

Таблица 10 – Оптимальные энергетические показатели, достигнутые

в мире /1/.

 

Продукты, технология

Минимально необходимые затраты энергии

 

η  энидп,

%

ГДж/т

кВтч/т

Сталь, выплавленная по технологии:

выплавка чугуна+выплавка стали

электроплавка металлолома

прямое восстановление железа

 

14,4

2,6

3,0

 

4003

723

834

 

59,2

88,1

77,1

Алюминий (из глинозема)

40,6

11286

87,1

Медь

(пирометаллургические процессы)

 

28,0

 

7784

 

12,6

Свинец (шахтная плавка)

6,0

1668

25,7

Цинк:

пирометаллургические способы

гидрометаллургический способ

 

20,2

37,2

 

5615

10342

 

34,6

53,2

Титан (магний - термический способ)

52,5

14595

61,6

Добыча:

нефти

газа

 

0,36

0,18

 

100

50

 

-

-

 

В черной металлургии наиболее топливоемкими производствами отрасли являются доменное производство (до 41% топлива отрасли), прокатное и трубное (10%), агломерационное (7%), мартеновское (7%), коксохимическое (6%). К электроемким производствам относятся ферросплавное (до 17% расхода электроэнергии отрасли), горнорудное (добыча и обогащение руды, 14,6%), прокатное (12%), производство кислорода (7%), электроплавильное (4,4%). Наибольшее количество тепловой энергии используют производства: коксохимическое (18,4%), прокатное (7,6%) и доменное (4,4%).

Основными направлениями энергосбережения в черной металлургии являются:

-  внедрение прогрессивных технологий в агломерационное производство и производство окатышей с рекуперацией теплоты;

-  применение в коксохимическом производстве термической подготовки шихты; увеличение содержания железа в железнорудной части шихты; повышение доли окускованности материалов в шихте; увеличение  средней температуры и применение комбинированного дутья;

-  вдувание в доменные печи пылеугольного топлива; рециркуляция доменного газа с очисткой его от окислителей; внедрение усовершенствованных компрессорных агрегатов.

В перспективе в черной металлургии предстоит  осуществить комплекс мероприятий:

-  замена эксплуатируемых и ввод в действие новых теплоутилизационных установок;

-  расширение использования технологии сухого тушения кокса;

-  повышение давления в рабочем пространстве печей;

-  укрупнение доменных печей;

-  повышение температуры дутья; применение комбинированного дутья с вдуванием газообразных, жидких и твердых восстановителей с подачей кислорода;

-  повышение доли непрерывной разливки стали;

-  замена мартеновского способа производства кислородно-конверторным и электросталеплавильным;

-  разработка и освоение технологии термического упорядочения сортового и  листового проката в процессе прокатки;

-  совершенствование технологии прокатного производства с целью сокращения числа  циклов  нагрева  металла;

-  вдувание в домны горячих восстановительных газов, полученных методом конверсии природного газа с очисткой его от окислителей;

-  совершенствование технологии процессов производства агломерата и окатышей;

-  расширение использования газовых утилизационных бескомпрессорных турбин;

-  полное использование в качестве топлива конверторного газа;

-  реконструкция ферросплавного производства с заменой открытых печей закрытыми  с целью утилизации ферросплавного газа в качестве топлива;

-   повышение энергетической эффективности электросталеплавильного производства за счет повышения качества шихты, автоматизации управления технологическими процессами с помощью микропроцессоров, совершен-ствования электрооборудования.

Эффективному использованию ЭР в черной металлургии способствует, применение установок непрерывной разливки стали (УНРС). Эти установки устраняют необходимость в такой существенной ступени производственного процесса на заводе, как разлив стали по изложницам и обжим слитков на блюмингах и слябингах. Создают основы для полной автоматизации производственных процессов в сталеплавильных цехах, с увязкой их в единый комплекс с непрерывным потоком металла в сталеплавильном и прокатном цеха

 

Таблица 11 – Направление работ для повышения эффективности использования кокса /5/

 

 

Мероприятие

Ожидаемое снижение удельного расхода кокоса,

кг/т чугуна

Повышение содержания железа в шихте

9 - 34

Вывод сырого флюса из доменной шихты

9 - 11

Снижение:

содержания золы и серы в коксе

доли литейного чугуна и ферросплавов в общей

        выплавке чугуна

 

3 - 9

 

8 - 16

Увеличение объема доменной печи

2 - 3

Улучшение:

качества железнорудных материалов

физико-механических характеристик кокса

 

12 - 20

5 - 8

Повышение давления газа на колошнике доменной печи

4 - 10

Применение природного газа и мазута в сочетании с дутьем, обогащенным кислородом

 

20 - 34

Повышение нагрева дутья

7 – 18

Вдувание измельченного твердого топлива

6 – 15

Применение

металлизированного сырья

горячих восстановительных газо

 

4 – 13

15

Автоматизация управления тепловыми процессами доменной печи

 

1 - 2

 

Основными потребителями электроэнергии в электросталеплавильном и ферросплавном производстве являются мощные сталеплавильные и рудотермические печи. Единичная мощность печей  125 МВА – сталеплавильных, 100 МВА – ферросплавных. Основная часть электроэнергии расходуется непосредственно в термических установках: в электропечах - 85-90%, в ферросплавном производстве - 95-97%.

С увеличением мощности и производительности печей снижается удельный расход электроэнергии. Водяное охлаждение электродов дуговых сталеплавильных печей (ДСП) снижает расход энергии на 20%, применение специальных покрытий - на 15%, использование графита - на 20%, улучшение герметичности  и тепловой изоляции -  на 5-7%.  Значительные потери энергии (до20%) в ферросплавном производстве  связаны  с использованием  полузакрытых и открытых рудно-термических печей  мощностью до 15МВА, в которых значительное количество теплоты теряется с уходящими газами. Увеличение мощности таких печей до 60-80 МВА снижает удельные расходы энергии на 4-6%.

Существуют различные способы интенсификации теплопередачи в печах, обусловленной концентрацией энергии в рабочем пространстве технологического агрегата. Некоторые из них связаны с расширением зоны подвода энергии: предварительный нагрев шихты, повышение потенциала энергоносителя в рекуператорах и т.д. Например, использование индукционного нагрева и плавки изделий.  Совершенствование конструкции агрегатов, которое, как правило, диктуется  требованиями водоохлаждения. Так, чтобы обеспечить резкий рост  мощности ДСП до 100 МВА емкостью 100 т, приходится применять водоохлаждающие элементы футеровки стен и свода, которые занимают до 80%  поверхности огнеупорной футеровки. Чтобы эффективнее использовать рабочее пространство при повышении загрузки агрегатов, рекомендуется предварительная подготовка исходного продукта, его гранулирование, использование окатышей, добавление до 20% мелочи, применение методов уплотнения загрузки.

Используются методы целенаправленного воздействия на процесс формирования электрического поля, снижение частоты тока, создание двух-, трех- и многофазных печей.

Создаются  и внедряются вакуумно - дуговые, плазменные и лазерные установки.

В цветной металлургии наиболее энергоемкими являются алюминиевое, медное, никелевое, свинцово-цинковое и титаномагниевое  производства. Например, для получения одной тонны алюминия необходимо израсходовать 9 т.у.т., никеля - 13.4, цинка - 2, меди - 1.4, свинца - 0.9. Использование цветных металлов вместо черных оказывает значительное влияние как на технический прогресс, так и на энергосбережение  в смежных отраслях. Так, замена стали на алюминий при производстве автомобилей высвобождает ежегодно более 2 тыс. кВт·ч электроэнергии, а при производстве грузовых машин  до 40 тыс. кВт·ч. Фактическое превышение удельных затрат энергии при производстве цветных металлов над теоретическими составляет: для алюминия  примерно 2 раза,  свинца - 3 , олова - 4, меди -20. Значительные резервы ресурсосбережения  в цветной металлургии связаны с использованием вторичных металлов, которое снижает энергозатраты в 7-10 раз, а при производстве вторичного алюминия в десятки раз.

Важнейшие направления энергосбережения в цветной металлургии:

- широкое внедрение автогенных процессов при производстве меди, никеля и других цветных металлов, при переработке сульфатных руд, в том числе, плавки в жидкой ванне, взвешенной плавки, кислородно-факельной плавки, кислородно-взвешенной циклонно-электротермической плавки (КИВЦЭТ);

-  преимущественное развитие комплексных безотходных технологий, позволяющих максимально использовать сырьевые ресурсы за счет одновременного производства различных продуктов, в том числе перера-ботки нефелинового сырья;

-  широкое внедрение агрегатов с высокой эффективностью использования энергоресурсов (печей кипящего слоя, новых типов  электроплавильных печей, усовершенствование схем производства глинозема);

-  укрупнение единичных мощностей энергоемких технологических агрегатов;

-  повышение доли электролизеров с обожженными анодами, оптимизация их технологических параметров и применение литиевых добавок в производстве алюминия;

-  добыча руды с применением энергосберегающей циклично-поточной технологии;

-  расширение применения предварительного обогащения  полиметаллических руд в тяжелых средах;

-  внедрение радиометрической сортировки руд, обеспечивающей  сокращение объемов переработки пустой породы;

-  использование микробиологических методов извлечения меди и цинка;

-  разработка вопросов создания единых комплексов по выпуску алюминия и глинозема с использованием ядерной энергии.

В цветной металлургии следует снижать нормы расхода энергоресурсов за счет улучшения использования и совершенствования структуры производственного оборудования, улучшения качества сырья, более полного использования вторичных цветных металлов, более полной утилизации ВЭР.

К продуктам заводов нефтеперерабатывающей промышленности относятся топливо, топливная нефть, сжиженный нефтяной газ, смазочные масла и сырье для химических заводов (нафта – сырье для производства  ацетилена, метанола, аммиака и др. химикатов). Не менее 25% себестоимости продукции нефтеперерабатывающих заводов составляют затраты на энергоресурсы. Основными потребителями энергии являются дистилляционные, выпарные и разделительные установки, где сырая нефть   разделяется на ряд конечных продуктов: от пропана до тяжелой топливной нефти. При этом 50% энергии идет на колонну первичной ректификации (на нагрев и получение пара), 15% - для конечной обработки продуктов, 35% - на конверсию.

Экономия энергии в производстве каучука определяется внедрением новых технологических процессов производства дивинила, что снижает удельный расход тепловой энергии примерно в 2 раза, электрической – в 7 раз. Факторами, влияющими на снижение энергоемкости продукции при производстве   автомашин и резинотехнических изделий, являются замена индивидуальных вулканизаторов-форматоров поточными линиями, внедрение низкотемпературной полимеризации, которая снижает длительность процессов на 20%.

Энергосбережению в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности способствует:

-  углубление переработки нефти с целью повышения выхода светлых нефтепродуктов;

-  внедрение энергосберегающих технологий;

-  реконструкция действующих технологических установок;

-  внедрение схем промышленной теплофикации и замена парового привода технологического оборудования на электрический;

-  применение более эффективных катализаторов;

-  автоматизация систем налива нефтепродуктов;

-  внедрение прогрессивных технологий получения синтетического каучука;

-  увеличение выпуска дивинила и изопрена на основе новых технологических процессов;

-  внедрение энерготехнологических комплексов  производства углерода.

Производство высококачественных строительных материалов основано на огневых процессах, связанных с расходом больших количеств мазута, природного газа и кокса, т.е. наиболее ценных топлив. При этом КПД использования этих топлив в отрасли составляет около 40%.

Наиболее энергоемкой продукцией отрасли являются цемент, кирпич, стекло. На их производство расходуется до 90% топлива отрасли. На обжиг 1т цементного клинкера расходуется от 197 до 216 кг у.т. Производство цемента наиболее эффективно сухим способом, т.к. удельный расход топлива на обжиг клинкера при этом снижается на 50-70%, а уменьшение влажности шлама на 1% снижает удельный расход электроэнергии  на 7.2 кВт·ч. Внедрение комбинированных цепных завес и циклонных теплообменников снизит температуру отходящих газов на 70-800С.

В производстве глиняного кирпича снижению расходов топлива способствует:

-  расширение производства пустотелого кирпича;

-  производство керамических пустотелых блоков;

-  использование добавок отходов угольной и горно-химической промышленности;

-  внедрение прогрессивных режимов сушки и обжига путем модернизации туннельных сушилок и печей.

При производстве силикатного кирпича снижение расходов топлива связано с сокращением цикла автоклавной обработки, увеличением выпуска пустотелого кирпича. Производство активных (пустотелых) керамических камней и кирпича обеспечивает экономию сырья до 30%, топлива – до 20%, расход топлива на отопление зданий и сооружений снижается на 10%.

Экономия топлива при производстве стекла может быть обеспечена совершенствованием конструкций стекловаренных печей, их отдельных узлов, добавлением к воздуху для горения кислорода. Потери тепла через кладку варочной печи достигают 40%. Снизить  эти потери можно, используя изоляцию из каолинового волокна или стекломасс. Использование серийных котлов-утилизаторов за крупными стекловаренными печами  на заводах листового стекла дает возможность получить от 1.5 до 12 т/ч  пара.

Значительное влияние в производстве стекла на расход топлива имеет эффективность процессов горения, если улучшить использование энтальпии азота в топливе, можно получить 690 Дж/кг. Во время формирования стекло должно охлаждаться, для чего используют принудительное конвективное охлаждение воздухом. Увеличение поверхности форм приводит к снижению себестоимости стекла за счет снижения расхода энергии на вентиляцию.

Развитию рекуперации сбросной теплоты стекловаренных печей мешало отсутствие подходящих материалов, т.к. температура варки стекла постоянно повышалась и невозможно было найти приемлемые огнеупорные  материалы для изготовления труб рекуператоров. В настоящее время созданы керамические рекуператоры с хорошей изоляцией.

Растет тенденция к повторному использованию стеклобоя, что позволяет уменьшить расход сырьевых материалов  и топлива.

Основные направления энергосбережения в этой отрасли:

-   уменьшение влажности шлама за счет использования разжижителей;

-   совершенствование теплообменных устройств и повышение жаростойкости конструкций вращающихся печей;

-   внедрение энергосберегающих технологий в производство стекла и извести, экономичных методов тепловой обработки железобетона, силикатного кирпича, керамических стеновых и отделочных материалов;

-   увеличение выпуска пустотелого кирпича;

-   широкое использование отходов других отраслей.

Повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов можно достичь за счет  использования вторичных энергоресурсов (ВЭР). ВЭР - энергетический потенциал отходов продукции, побочных и промежуточных отходов, образующихся в технологических установках (системах), который не используется в самой установке, но может быть частично или полностью использован для  энергоснабжения других установок. Энергетический потенциал отходов и продукции классифицируется  по запасу энергии в виде химически связанной теплоты (горючие ВЭР), физической теплоты (тепловые ВЭР), потенциальной энергии избыточного давления (ВЭР избыточного давления). Потенциал горючих ВЭР характеризуется низшей теплотой сгорания QНР,  тепловых – разностью энтальпий Δh, избыточного давления – работой изоэнтропного расширения LИЗЭ.

 

Удельный выход ВЭР рассчитывают или в единицу времени работы агрегата – источника ВЭР, или в показателях на единицу продукции /7/.

Удельный выход горючих ВЭР определяется по формуле

qГ = m ·QНР,

где m – удельное количество энергоносителя в виде твердых, жидких или газообразных продуктов, кг(м3)/ед.продукции или кг(м3)/ч.

Удельный расход  тепловых ВЭР  определяется по соотношению

qТ = m ·Δh =mР1t1 - сР2t2),

где t1 – температура энергоносителя на выходе из агрегата - источника ВЭР;

      t2 – температура энергоносителя, поступающего на следующую стадию технологического процесса после утилизационной установки, или температура окружающей среды, 0С;

       сР – соответствующие  удельные теплоемкости, кДж/кг(м3) 0С.

Удельный выход ВЭР избыточного давления рассчитывается по формуле

qИД = mL,

где L - работа изоэнтропного расширения энергоносителя, кДж/кг.

Общий выход ВЭР за рассматриваемый период времени (сутки, месяц, квартал) определяется по удельному

QВ = q ·П,

или QВ = q ·τ,

где П – выпуск основной продукции за рассматриваемый период, ед.продукции;

        τ – время работы агрегата за рассматриваемый период, ч.

Только часть энергии  из общего выхода ВЭР может быть использована как полезная. Для оценки реального потенциала ВЭР, рассчитывают  возможную выработку  энергии за счет ВЭР.

Возможная выработка теплоты  в утилизационной установке за счет ВЭР для нагрева энергоносителей в виде пара или горячей воды за рассматриваемый период времени

QТ = qТ·П·β·(1-ξ),

где β – коэффициент, учитывающий режима и числа часов работы утилизационной установки и агрегата-источника ВЭР (β = 0,7-1);

        ξ – коэффициент потерь энергии в окружающую среду утилизационной установкой и на трактах (ξ = 0,2-0,5).

Можно также использовать уравнение

QТ  = QВ · ηУ,

где ηУ  - КПД утилизационной установки.

Теплота, выработанная в утилизационной установке, может использоваться не полностью, что характеризуется коэффициентом

σ = QИ/ QТ,

где σ = 0,5 - 0,9.

 

Возможная выработка электроэнергии в утилизационной турбине за счет избыточного давления

W= П qИД ηОТ ηМ ηГ,

где ηОТ- относительный внутренний КПД турбины;

       ηМ – механический КПД турбины, ηГ – КПД электрогенератора.

 При использовании горючих ВЭР достигается экономия  замещаемого топлива 

ΔВ = 0,0342 QИ ηВЭР/ ηЗ,

где QИ – используемые горючие ВЭР, 0,0342 – коэффициент перевода 1ГДж в энергию 1 т.у.т.;

        ηВЭР – КПД утилизационной установки, работающей на горючих ВЭР;

         ηЗ – КПД установки, работающей на замещенном топливе (ηЗ = 0,8-0,92).

При использовании тепловых ВЭР  экономия топлива равна

ΔВ = QИвЗ,

где вЗ =  0,0342/ ηЗ – удельный расход условного топлива т/ГДж.

При выработке на утилизационной установке электроэнергии или механической работы экономия топлива определяется по формуле

ΔВ = QИвЗ.

Пример 1. Определить экономию условного топлива при использовании теплоты ВЭР в котле-утилизаторе за счет теплоты уходящих газов промышленной печи, если энтальпия газов на выходе из печи h1 = 17000 кДж/м3, на выходе из котла-утилизатора h1 =6350 кДж/м3, расчетный расход топлива для печи Вр= 0,05м3/с. Коэффициент, учитывающий несоответствие режима и числа часов работы котла-утилизатора и печи,  β = 0,85. коэффициент потерь теплоты котла-утилизатора в окружающую среду ξ = 0,2, коэффициент утилизации ВЭР σ =0,78. КПД замещаемой котельной установки ηЗ = 0,9.

Решение. Выход используемых тепловых ВЭР рассчитываем по выше приведенным формулам

QВ = ВР·(h1 - h2)·β·(1-ξ)·σ = 0,05·(17000-6350)·0,85·(1-0,2)·0,78 = 282,4кВт

Экономия топлива при использовании теплоты ВЭР рассчитывается так:

ΔВ = 0,0342· QВЭР/ ηЗ = 0,0342 ·282,4 / 0,9 = 0,010 кг/с.

Пример 2. Одной из  самых крупных потерь пара на промышленном предприятии является  продувка паровых ловушек, в которых возможны утечки пара. Расчет потерь можно провести по методике, предложенной в /2/.  На предприятии, где цена пара составляет 286 тенге за 1ГДж, обследование позволило выявить, что ловушка на паропроводе с давлением 0,7МПа оставлена открытой. Отверстие в ловушке составило 6,35мм. Потери пара в результате утечки в год достигают 2110ГДж (Приложение 1). Ремонтом ловушки можно добиться годовой экономии 2110ГДж·286тенге/ГДж = 603 тыс. тенге. Кроме того,  по приведенной  номограмме, основанной на  уравнении Гришофа,  можно  определить потери энергии, возникающие в результате утечек пара через отверстия различных размеров. Если давление пара составляет 3,5 МПа, величина отверстия  2,4 мм,  а для  производства пара используется уголь с теплотой сгорания 25,6 МДж/кг, то потери пара будут составлять в месяц (720ч) 54т/мес или около  7т угля в месяц.

 

 2.3 Энергосбережение в системах теплоснабжения

 

Развитие централизованного теплоснабжения с комбинированной выработкой тепла и электроэнергии достигло в Казахстане значительных размеров. В 2000г  из 150,8 млн. Гкал  63,3 млн. Гкал (42%) произведено за счет комбинированной выработки ТЭЦ /1/.

В систему централизованного теплоснабжения входят источник тепла (ТЭЦ или районная котельная), тепловые сети и системы потребителей.

В 2000г в городах Казахстана действовало 49 систем централизованного теплоснабжения, включающих 38 ТЭЦ. По показателям удельного расхода топлива на отпуск тепловой энергии 15 ТЭЦ имеют до 190 кг у.т./Гкал,  6 – от 190 до 200 кг у.т./Гкал и 17 – более 200 кг у.т./Гкал. Основной причиной высоких удельных расходов топлива на отпуск тепловой энергии на ТЭЦ является техническое и эксплуатационное состояние оборудования, снижение установленных мощностей из-за износа основного и вспомогательного оборудования,  сжигание непроектного топлива. Отключение  или сокращение  тепловых нагрузок промышленных предприятий,   переключение их на собственные источники тепла,  привело к появлению избытков  располагаемой тепловой мощности.

Таким образом, для энергосбережения требуется оптимизация систем централизованного теплоснабжения от ТЭЦ.

В республике действует около 227 районных котельных. Системы централизованного теплоснабжения от районных котельных имеют низкую конкурентноспособность по сравнению с децентрализованным  (автономным) теплоснабжением из-за высокой степени износа  оборудования котельных, недостаточной оснащенностью приборами учета и средствами автоматического управления, плохого состояния тепловых сетей.

 Общая протяженность тепловых сетей в Республике в 2000г составляла около 11,5 тыс. км (в двухтрубном исчислении). Около 60% от общей протяженности теплотрасс имеют возраст более 20 лет при нормативном  сроке службы 25 лет. Основной тип тепловой изоляции – минеральная вата в негерметичной защитной оболочке из различных материалов, что является  основной причиной сверхнормативных потерь тепла, достигающих по экспертным оценкам 20% на магистральных и 80% на распределительных сетях.

Пример 3. Значения удельных потерь тепла при максимальных и других заданных температурах теплоносителя и соответствующей температуре окружающей среды определяются по формуле

q1=q1НОРМ , Вт/м

где q1НОРМ - нормы потери тепла на 1м теплопровода в зависимости от диаметра, способа прокладки и теплоносителя при среднегодовой температуре  теплоносителя tСР, Вт/м;

  q1 – удельные потери тепла 1м трубопровода при заданной температуре теплоносителя t3, Вт/м;

t ОС.СР.Г – среднегодовая температура окружающей среды, при которой заданы нормы потери тепла,0С;

tОС – фактическая среднегодовая температура окружающей среды, 0С.

При подземных прокладках в непроходных каналах температура окружающей среды  принимается равной температуре  воздуха в канале.

При подземной бесканальной прокладке температура окружающей среды  равна температуре грунта на глубине заложения трубопровода. При надземной прокладке температура окружающей среды  равна температуре наружного воздуха.

Удельные потери тепла при максимальном режиме на подающей магистрали при  подземной канальной прокладке  определяются по формуле

q1 = q1НОРМ , Вт/м.

Удельные потери тепла при максимальном режиме на обратной магистрали при  подземной канальной прокладке  определяются по формуле

q1 = q1НОРМ , Вт/м.

Удельные потери тепла при среднегодовом режиме на подающей магистрали при  подземной канальной прокладке  определяются по формуле

q1 = q1НОРМ , Вт/м.

Удельные потери тепла при среднегодовом режиме на обратной магистрали при  подземной канальной прокладке  определяются по формуле

q1 = q1НОРМ , Вт/м.

Таким образом, исходными данными для расчета  потерь тепла тепловыделением сетей  являются  удельные потери тепла и  суммарные длины  участков трасс с учетом  способов прокладки.

Для г. Алматы при t ОС.СР.Г = 8,9 0С , диаметре труб 76мм потери тепла на  трубопроводе длиной в 8500 м при среднегодовом режиме на подающей магистрали при  подземной канальной прокладке составят за отопительный период

QП = q1НОРМ  L = 42·(54.5/56.1)·8500·168·24·3600 = 5040ГДж ≈ ≈1200Гкал. Расход условного топлива на это тепло составит 240т (при расходе топлива на ТЭЦ 200кг/Гкал). Потери тепла нанесут ущерб в 2млн.тенге.

 

Таблица 12 - Нормы потерь тепла изолированными

трубопроводами подземной прокладки в непроходных каналах/3/.

Наружный диаметр

труб,

мм

q1НОРМ, Вт/м

обратная

магистраль,

tСР =500С

q1НОРМ, Вт/м

подающая магистраль,

tМАХ =950С

tМИН =700С

tСР =650С

Суммарные потери

при

двухтрубной прокладке

не более

32

23

29

52

57

29

36

65

76

34

42

76

89

36

44

80

108

40

49

89

159

49

61

110

219

59

72

131

273

70

84

154

325

79

94

173

 

Велики потери тепла в сетях с утечкой теплоносителя. Среднечасовая величина утечки за год принимается равной 0,25% от объема воды в трубопроводах тепловой сети и присоединенных к ним местных систем отопления зданий. Расчетная (максимальная) часовая  величина утечки принимается равной 0,5% от всего объема теплоносителя.

Большинство  систем отопления традиционно имеет качественное регулирование отпуска тепловой энергии по температуре воды, подаваемой в теплосеть  при постоянном расходе. Перевод системы отопления с качественного на количественный метод регулирования позволяет достичь 65% экономии электроэнергии на привод  циркуляционных сетевых насосов.

 Применение автоматических тепловых пунктов с более точным индивидуальным регулированием позволяет экономить затраты тепла на отопление домов – устраняются перетопы. Автоматическое регулирование расхода теплоты на отопление обеспечивает до 20% экономии энергии.

С учетом  большого удельного веса теплоты, расходуемой на отопление, вентиляцию зданий, сравнительно большие потери теплоты при транспортировке, проблема повышения теплоизоляции зданий и снижение потерь на теплотрассах имеет важнейшее значение. Необходима  разработка материалов-изоляторов из пенополистирола, пенополиуретана, ячеистых пластмасс, снижение  объемного веса традиционных стеновых материалов и расширения выпуска требуемых теплообменных устройств, контрольно-измерительной и регулирующей  аппаратуры.

Таблица 13 –Характеристики  различных видов изоляции тепловых сетей/3/.

 

 

 

 

 

Показатель

 

 

 

 

 

 

 

 

Единица

 Изоляционный материал

Пенополиуретан в оболочке из полиэтилена

Армопенобетон монолитный автоклавный

Минеральная вата

Пенополимербетон

Фенольный поропласт

Коэффициент

теплопроводности

Вт/мК

0,033

0,05

0,05

0,07

0,058

Приведенные тепловые потери,

QФАКТ/ QНОРМ

 

-

1,0

1,6

1,6

1,7

1,6

Плотность

кг/м3

95

200

100

400

110

Термостойкость нормируемая

0С

150

180

300

150

180

Влагонасыщение

% за 30 суток

6

70

70

6

70

Прочность на сжатие

МПа

0,4

0,8

-

0,5

1,2

Средний срок службы

год

25-30

10-15

8-10

25-30

5-10

Доля от общего  количества проложенных сетей в мире 9ориентировочно)

 

 

%

 

 

80

 

 

-

 

 

20

 

 

-

 

 

-

 

Энергосбережение достигается совершенствованием теплоизоляции зданий. Фактические  удельные расходы теплоты ограждающих конструкций  превышают сметные на 25-40% в жилых зданиях и на 40-50% в общественных. Фактические потери теплоты при ее транспортировке составляют примерно 13%,  при нормативных  - 5-6 %. Немаловажно внедрение научно обоснованных  средневзвешенных норм  расхода теплоты на отопление и вентиляцию зданий.

Крупным резервом экономии является  увеличение теплоизоляционных свойств  ограждающих конструкций, включая  снижение воздухопроницаемости стыковых соединений, окон, балконных дверей; использование теплоты  вентиляционных  выбросов, усиление  теплоизоляции трубопроводов теплоносителей.

Применение многослойных  панелей с утеплением. Так, при применении пенополистирола толщиной 10-14 см удельные потери теплоты  по сравнению с однослойной керамзитовой панелью уменьшаются на 60-70%,  а общий расход теплоты снижается на 20%. За счет снижения объемного веса керамзитбетона с 1200 до 900 кг/м3  годовой расход условного топлива на 1м2 ограждения из однослойных стеновых панелей толщиной 37см снижается на 30% (с 17.3 до 12.5 кг)  и общий - на отопление зданий – на 15%. На 20%  снижается расход топлива на производство пустотелого кирпича и керамических камней. Перевод заводов на выпуск пустотелого кирпича  и керамических изделий, использование промышленных отходов  для сырья и добавок к традиционному материалу дает годовую экономию около 1 млн. т.у.т.. При использовании монолитного бетона повышается надежность и сейсмостойкость сооружений, на 30% снижается расход металла, на 15% - цемента, на 90 кг/м 2 у.т..

Существенно снижаются тепловые потери за счет уплотнения окон (сейчас 90% квартирных окон не  имеют таких уплотнений). Энергетические затраты на отопление помещений за счет уплотнения пенополиуретаном сокращаются при двойном спаренном остеклении с 421 до 130 кг на 1м2 площади в год, при двойном разделенном остеклении с 250 до 111, при тройном  - со 189 до 93кг. Обеспечение соответствия  размеров световых проемов требованиям естественной  освещенности помещений позволит снизить удельные энергетические затраты на 5-8%. Утепление  чердаков дает  2-4% снижения расхода тепла. За счет реализации комплекса мероприятий  расход теплоты в жилых и общественных зданиях снижается в общей сложности примерно на 15-20%.

Экономии энергии способствует утилизация теплоты вентиляционных выбросов. Для утилизации этой  низкопотенциальной теплоты  разработаны теплообменники, которые могут вернуть до 65-80% теплоты вентиляционных выбросов /8/. Такие теплообменные аппараты должны устанавливаться в зданиях с круглосуточным или продолжительным периодом работы систем вентиляции или на промышленных объектах со значительными отходами низкопотенциальной теплоты. В южных районах летом крупными потребителями энергии являются системы вентиляции и кондиционирования. Экономии энергии в таких системах  можно достичь  таких возобновляемых источников, как холод зимнего периода и ночного прохладного воздуха. В настоящее время в таких системах большое внимание уделяется  эффективным аккумуляторам теплоты фазового перехода (АФП), использующим скрытую теплоту плавления или кристаллизации рабочего агента (кристаллогидраты солей и их смеси, парафины, органические кислоты).

Необходимо совершенствование отопительных систем и приборов:

-  переход на поквартирное (покомнатное) регулирование отопления (дает до 15% экономии энергии);

-  применение тепломеров и тепловых счетчиков;

-  снижение температуры в помещениях в нерабочее время (экономия 15-20%);

-  более совершенные конструкции генераторов теплоты для отопления и горячего водоснабжения одноквартирных жилых домов (расход топлива снижается на 15-20%);

-  снижение давления воды в зданиях малой этажности (потери расхода воды за счет утечек  достигают 20-22%), использование регуляторов давления.

Существенной экономии энергии можно добиться  в освещении.

При должном использовании существующей в настоящее время технологии расход энергии на освещение может быть сокращен:

- на 10-60% в результате улучшения контроля над использованием осветительных приборов;

- на 30% путем замены ламп накаливания  лампами дневного света в быту, коммерческих зданиях и промышленности;

- на 20% при использовании в промышленности газоразрядных ламп.

 

2.4 Проблемы и перспективы  развития нетрадиционной энергетики

 

Все источники энергии можно разделить на два класса:

а) возобновляемые источники энергии (ВИЭ) – это источники  на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде  потоков энергии. Типичный пример – солнечное излучение с характерным периодом повторения 24 ч. Возобновляемая энергия присутствует в окружающей среде в виде энергии, не являющейся  следствием целенаправленной деятельности человека;

б) невозобновляемые источники   энергии (НВИЭ) – это природные запасы  веществ   и материалов, которые могут быть использованы  человеком для производства энергии. Примером служит ядерное топливо, уголь, нефть, газ. Она находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленной деятельности человека.

Существует пять основных  источников энергии:

-  солнечное излучение;

-  движение и притяжение Солнца, Земли, Луны;

-  тепловая энергия ядра Земли, химические реакции,  радиоактивный распад в недрах;

-  ядерные реакции;

-  химические реакции различных веществ.

Окружающее нас пространство непрерывно пронизывается потоком энергии от различных источников. Например, полный солнечный поток, падающий  на Землю, равен 48 1017 Вт, т.е. на одного человека приходится  около 1 МВт, что равно мощности примерно 3 крупных дизель - электрогенераторов. Максимальная плотность потока солнечного излучения на Земле достигает 1кВт/м2. Энергетика на возобновляемых источниках должна ориентироваться, прежде всего, на местные природные особенности.

2.4.1 Научные принципы использования возобновляемых источников энергии.

2.4.1.1 Анализ возобновляемых энергоресурсов

В окружающем пространстве всегда существуют потоки возобновляемой энергии и энергетика на возобновляемых источниках энергии должна  ориентироваться только на существующие энергоресурсы и не ставить  себе целью создание новых. Прежде чем развивать энергетику на возобновляемых источниках, необходимо точно определить их мощность.

Это требует регулярных и длительных наблюдений и анализа параметров этих источников.

2.4.1.2Временные характеристики возобновляемых источников энергии

Потребности в энергии, как правило, не постоянны во времени. Например, потребности в электроэнергии максимальны в утренние и вечерние часы и минимальны в ночное время. Традиционные ТЭС могут  подстраиваться  под эти колебания спроса на энергию, регулируя расход топлива. При использовании НВИЭ колеблется не только спрос на энергию, но и мощность этих источников, поэтому установки, работающие от этих источников должны учитывать оба эти фактора. Интенсивность и периодичность действия возобновляемых источников энергии представлена в  таблице 12.

 2.4.1.3 Качество источника энергии

Качество  источника – доля энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу. 95% электрической  энергии можно  в электродвигателе превратить  в работу; 30% теплотворной способности  топлива можно превратить в механическую работу. По этому признаку возобновляемые источники энергии можно разделить на три группы.

Первая - источники механической энергии ( гидро -, ветро -, волновые, приливные). Качество этих источников  энергии высокое: ветровой – 30%, гидроэнергии -  60%, волновой и приливной – 75%.

Вторая  - тепловые возобновляемые источники   энергии, например, биотопливо и тепловая энергия солнца. Максимальная доля тепла таких источников, которая может быть превращена  в механическую работу, определяется вторым началом термодинамики (примерно 50%).

Для современных паровых турбин  качество тепловой энергии не превышает 35%.

Третья – источники энергии, основанные на фотонных процессах (фотосинтез и фотоэлектрические явления). Качество фотопреобразователей  достигает 15%.

2.4.1.4 Рассеянная энергия или энергия низкой плотности

Возобновляемые и истощаемые источники очень сильно различаются по начальной плотности потоков энергии. Для возобновляемых источников эта величина  около 1 кВт/м 2  (например, плотность потока энергии солнечного излучения, ветра при скорости около 10 м/с) Для невозобновляемых источников она на несколько порядков выше.

 

Таблица 14 - Интенсивность и периодичность действия возобновляемых источников энергии /9/.

Источник

Перио-дичность

Определяющие параметры

Энергети-ческие соотношения

Примечание

1

2

3

4

5

Прямое солнечное излучение

24 ч

1 год

Облучаемость (Вт/м2), угол падения излучения

PG b cosθ

max 1кВт/ м 2

Только в дневное время

Рассеянное солнечное излучение

24 ч

1 год

Облачность

P«G,

P≈300кВт/ м2

Энергия значительная

 

Биотопливо

1 год

Качество почвы, облученность, вода, специфика топлива, расходы

10 МДж/кг

связанная энергия

Очень много видов топлива (с/х и лесное)

Ветер

1 год

Скорость ветра, высота над земной поверхностью

P~uо2

uz/uh=(z/h)b

Флуктуирует, b = 0.15, h = 10м, uhcтандартное

Волны

1 год

Амплитуда волны Hs, период волны T

P~Hs2T

Высокая плотность энергии (50кВт/м)

Гидро-энергия

1 год

Напор Н, объемный расход Q

P~HQ

Искусст-венно создаваемый источник

Приливы

12 ч 45 м

Высота R, площадь бассейна А, длина эскуария L, глубина - h

P~R 2A

Увеличение высоты прилива, если L/√h ~36400м1/2

Тепловая энергия

Постоян-ные пара-метры

ΔТ – разность температур воды на поверхности и на глубине

Ρ~(∆Τ)2

В тропиках. Низкая эффектив-ность преобразова-ния.

Тепловая нагрузка в трубах паровых котлов  достигает 100 кВт/м 2, в теплообменниках реакторов АЭС около 100 МВт/м 2. Из-за большой разницы плотностей потоков энергии энергоустановки на невозобновляемых  источниках более эффективны при большой единичной мощности, а распределение энергии потребителям требует больших затрат. Для возобновляемых источников характерна небольшая единичная мощность, но велики затраты на повышение мощности за счет объединения установок в единую энергосистему.

Сравнение  характеристик энергосистем на  возобновляемых и невозобновляемых источниках энергии приведено в таблице 13.

2.4.1.5 Согласование источников энергии и потребителей

В настоящее время можно предложить пять  вариантов схем согласования ВИЭ с потребителями  /9/.

2.4.1.6 Определяющая роль конкретной ситуации

Ни один источник возобновляемой энергии не является универсальным,  использование ВИЭ определяется конкретными природными условиями.

Для эффективного планирования энергетики на возобновляемых ресурсах необходимы:

- систематические исследования окружающей среды, аналогичные геологическим исследованиям;

 - изучение потребностей конкретного региона в энергии для промышленности, сельскохозяйственного производства и бытовых нужд.

Невозможно предложить простой и универсальный метод планирования энергетики на возобновляемых источниках ни в международных масштабах, ни в рамках одной страны.

2.4.2 Технические проблемы использования ВИЭ

2.4.2.1 Мониторинг окружающей среды

В основе решения об использовании ВИЭ обычно лежат результаты многолетних наблюдений (мониторинга) за состоянием окружающей среды в данном районе. Получаемая информация  должна включать все параметры, необходимые  для разработки энергетической системы. Частично такую информацию содержат результаты метеорологических наблюдений, сельскохозяйственных наук и наук о море.

2.4.2.2 Потребители энергии и их характеристики

Производству энергии всегда должно предшествовать всестороннее изучение потребности в ней, так как производство недешево и сопряжено с нежелательным воздействием на окружающую среду.

2.4.2.3Методы управления

Для согласования источников энергии с потребителями используются различные методы управления. В системах с ВИЭ используются три метода:

-         со сбросом  излишков энергии;

-         с накоплением (аккумулированием) энергии;

-         с регулированием нагрузки.

Социально - экономические последствия  развития энергетики на ВИЭ таковы:

глубокие изменения в образе жизни, социальное развитие при широком использовании.

 

 

 

 

Таблица 15-Сравнение  характеристик энергосистем на  возобновляемых и невозобновляемых источниках энергии /9/.

Характеристика энергосистемы

На возобновляемых источниках энергии

На невозобновляемых источниках энергии

Примеры источника

Ветер, солнце, приливы

Уголь, нефть, газ

Местонахождения

Окружающая природная среда

Сосредоточенные месторождения

Естественная форма существования

Потоки энергии

Потенциальная, связанная энергия

Начальная интенсивность

Низкая интенсивность, рассеянная энергия с плотностью 300 Вт/м 2 и меньше

 Высокая интенсивность до 100 кВт/м 2 и больше.

Время истощения

Бесконечное

Конечное

Стоимость потребляемой энергии

Бесплатно

Непрерывно возрастает (за 1кВт×ч более одного цента)

Стоимость оборудования

Высокая, примерно 2000$ за 1кВт  установленной мощности

Средняя, примерно 500$ за 1 кВт установлен-

ной мощности

Стабильность и управляемость

Стабильность выходной мощности низкая, лучшее управление –  нагрузка с прямой связью

Стабильность высокая, лучшее управление –  расходом с обратной связью

Ограничения для использования

Особенности местных условий и спроса на энергию

Без ограничений

Размеры

Небольшие экономичны, в больших  трудности

Крупные системы предпочтительны

Научные основы использования источников

Широкий диапазон различных областей науки

 Узкий диапазон - механика, термодина-мика, электротехника

 

-  ВИЭ, поднятие жизненного уровня, особенно в сельских районах;

-  рассредоточение населения и общественной жизни в отличие от истощаемых источников, которые способствовали концентрации рабочей силы, производства; времени на разворачивание ВИЭ достаточно;

-  незначительное вредное воздействие на окружающую среду (нарушение естественного ландшафта);

-  влияние на архитектуру зданий;

-  стимулирование  фундаментальных исследований  в области оптики, механики, тепло - массопереноса,  фотосинтеза,  химии,  биологии и т. д.

В соответствии с условиями поступления и поглощения солнечного излучения изучаются  и разрабатываются разные типы солнечных электростанций (СЭС): тепловые, фотоэлектрические, ветровые, океанские и др. Солнечные тепловые электростанции (СТЭС) относятся к «машинным» преобразователям солнечной энергии в электрическую. Приводом электрогенераторов на СТЭС может быть паровая или газовая турбина. Достижимый КПД СТЭС 45%. Общий КПД СТЭС зависит от КПД термодинамического цикла, определяемого температурным диапазоном  рабочего тела цикла. Создано несколько различных типов приемников и концентраторов солнечного излучения. В зависимости от необходимой температуры нагрева могут применяться приемники:

- плоского типа (60 – 120  0С);

-   параболические зеркала с простым механизмом  ориентации (120 -

 150  0С);

-         параболические зеркала с автоматической  ориентацией (230 -

 600  0С);

-         система зеркал – солнечные печи (2300-3600 0С).

Солнечные фотоэлектрические станции (СФЭС) представляют собой совокупность определенного числа батарей, набранных  из солнечных элементов. Чтобы применение солнечных элементов СФЭС стало экономически оправданным, необходимо снизить их стоимость в 100 раз. КПД СФЭС не выше 10 %, на кристаллическом кремнии достигает 16%

Космические  фотоэлектрические станции по принципу действия не отличаются от наземных. Их специфическая часть – система передачи электроэнергии на Землю. Эта система включает преобразователь получаемой  от батареи электроэнергии, излучающую антенну, ректенну и систему  преобразования микроволнового СВЧ-излучения в электроэнергию для наземного использования.

Наряду с производством электроэнергии с  помощью СЭС энергия  солнечного излучения может использоваться для отопления, кондиционирования воздуха, опреснения воды, горячего водоснабжения, в высокотемпературных технологических процессах. Во всех таких установках специфическим элементом оборудования  является приемник солнечного излучения для отопления зданий, нагрева и подъема воды. Так на широте 400 приемник площадью 1,2 м2 для нагрева воды до 60 – 70 0С и подачи ее потребителю может заменить электронагреватель с расходом 1200 – 1500 кВт×ч /год. Повышение эффективности приемников солнечного излучения достигается применением  специального стекла, селективных покрытий, улучшением теплоизоляции приемников – преобразователей, использование многослойного остекления и специальной формы приемников. Солнечные водонагреватели включают: приемник излучения; бак горячей или холодной воды; насос и батареи, отдающие тепло потребителям. Они располагаются на крыше  или в стенах здания, ориентированных к Солнцу. При термосифонной циркуляции баки располагаются выше приемника солнечного излучения,  при насосной    ниже.

Суточная и годовая неравномерность поступления солнечной энергии и зависимость ее от метеоусловий  вызывает новые требования к энергосистеме для обеспечения потребителей по графику нагрузки.  Наряду с распространенными методами  аккумулирования (механическим, химическим, гидравлическим, электрическим и тепловым),  для солнечных установок исследуются возможности  аккумулирования с помощью водорода.  Термохимические методы  имеют КПД 50 %. Новые химические методы аккумулирования  основаны на  использовании смесей  веществ в различных агрегатных состояниях, обладающих высокой плотностью и теплоемкостью, а также веществ, испытывающих фазовые превращения (плавление, испарение) и химические реакции (изомеризация органических молекул).

Используя без ущерба для окружающей среды 1-1,5 % поступающей на территорию  республики солнечной энергии, можно получать 1,0 - 1,5 10 13 кВт×ч  в год, что эквивалентно 1,2 – 1,8 млрд. т.у.т..  В настоящее время  в общем энергопотреблении Казахстана доля энергии солнца, ветра, термальных вод и биомассы  незначительна и составляет  0.02 %.

Основные причины, сдерживающие развитие  нетрадиционной энергетики:

-  необходимость больших финансовых  и материальных затрат при достигнутом на сегодня уровне развития отрасли;

-  слабая производственная база по выпуску средств нетрадиционной энергетики;

-  отсутствие государственной программы, обеспечивающей  финансовую поддержку производителей и потребителей средств нетрадиционной энергетики.

Общая экономия ТЭР за счет выполнения программы  развития нетрадиционной энергетики в Казахстане (принята в 1993г) возрастет к 2010 в 18 раз и составит 340 – 350 тыс. т.у.т., а доля ВИЭ составит  около 0.25 %.

В общей экономии ТЭР  на долю солнечных установок приходится 26 %,  ветроустановок – 21,5 %, использования термальных вод  - 5.1 %, биоэнергетических установок  - 1.5 %. Выработка электроэнергии за счет ВИЭ в 1995 г  составляла 26 тыс. кВт · ч, в 2000 г – 117 тыс. кВт·ч, в 2010 достигнет  460 тыс. кВт·ч/1/.

Интенсивно солнечная энергия может быть использована на 2/3 территории Республики Казахстан (южнее 500 с.ш.). Учитывая, что на отопление, горячее водоснабжение и кондиционирование воздуха в жилых, общественных и промышленных зданиях расходуется 40 %  общественного энергопотребления, первоочередным направлением для внедрения в народное хозяйство  являются объекты  солнечного тепло – хладоснабжения. Программой предусматривается  в 2010г. выпускать гелиоколлекторы с суммарной поверхностью около 400,0 тыс. м2.

Стоимость  коллектора солнечной энергии СК,тенге/м2. должна удовлетворять  следующему условию

СК < ,

где qc - удельная годовая производительность гелиоустановки, кВтч/м2год;

         Cт - стоимость тепловой энергии, отпускаемой традиционным источником теплоснабжения, тенге/кВтч;

         αС - коэффициент, учитывающий отношение стоимости всей гелиоустановки к стоимости коллектора;

         τОКУП - допустимый срок окупаемости установки, год;

         ηТИ – КПД топливного источника теплоты.

На территории республики сосредоточены огромные ресурсы энергии ветра. Использование даже 1 - 2 % этого потенциала даст народному хозяйству ежегодно порядка 100 млрд. кВт·ч (для сопоставления, потребность республики в электроэнергии в 2010 г прогнозируется около 150 млрд. кВт ч).

Основными потребителями ветроустановок являются сельскохозяйственные объекты. Установлена потребность в 40 тыс. ветроподъемных установок мощностью до 4 кВт и 17 тыс. - от 4 до 500 кВт. Планируется в 2010г. достичь выработки электроэнергии ветроустановками в объеме 463 млн. кВт·ч. При мощности установок от 400 кВт до 1,5 МВт капиталовложения достигают 1000-2000дол./кВт. Себестоимость  электроэнергии, вырабатываемой на ветроустановках,  составляет 4-7 центов/кВт·ч. Для сравнения, на новых электростанциях, работающих на угле, себестоимость  электроэнергии  составляет 4-6 центов/кВт·ч.

Наиболее перспективные запасы геотермальных вод сосредоточены в трех артезианских бассейнах республики: Алматинском, Джаркентском и Арысском. Из выведенных вод скважины с суммарным дебитом 70 тыс.м3/сут используются стихийно в бальнеологии, коммунальном и сельском хозяйстве. Объем вовлечения геотермальных вод в народное хозяйство составил в 1995 г 112 тыс.м3/сут со средней температурой воды 600С, что позволяет экономить 87 тыс. т.у.т. в год. Мировая установленная тепловая мощность ГеоЭС в 2000г составила около 16,2ГВт, причем, из них 42% приходится на тепловые насосы, которых задействовано более 60 тысяч. Применение геотермального тепла в тепличном хозяйстве возросло в мире на 21%. В Казахстане  Программой предусматривается комплексное использование геотермальных вод.

Вся деятельность по использованию биомассы в республике может иметь экологическую направленность. Ликвидация отходов в целях улучшения экологических и санитарно-эпидемиологических условий более важна, чем энергетический эффект. Программой предусматривается проведение НИОКР по переработке стоков, разработке и изготовлению опытных образцов, установок для сбраживания навоза, внедрения 40 биоэнергетических установок в экологически неблагоприятных районах.

Перспективы развития нетрадиционной энергетики в Казахстане представлены в таблице.

Таблица 16 - Перспективы развития нетрадиционной энергетики в Казахстане

 

Нетрадиционная энергетика

Экономия топлива, т у. т.

Затраты,

млн. тенге

НИОКР

2000 г

2010  г

2000 г

2010 г

2000 г

2010 г

Солнечная энергетика

25,5

87,0

32,42

61,52

0,42

0,52

Ветро - энергетика

15,5

31,0

160,0

527,5

0,80

0,20

Геотермальная энергетика

60

15

-

-

-

-

Биоэнергетика

 

1,7

6,2

12,85

31,50

0,145

2,35

 

Подпись: ?

 


Вопросы и задания

 

1.Назовите факторы, обеспечивающие энергетическую безопасность Республики Казахстан.

2.Назовите основные причины потерь энергии в ТЭК.

3.Охарактеризуйте основные направления энергосбережения в электроэнергетике, газовой, угольной, нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности.

4.Дайте характеристику организационно-техническим мероприятиям энергосбережения в ТЭК.

5.Назовите важнейшие формы замещения энергоресурсов.

6.Проведите сопоставление тепловых  балансов КЭС и ТЭЦ.

7.Приведите примеры основных направлений снижения удельных расходов топлива на ТЭС.

8.Какова эффективность воздействия различных эксплуатационных факторов на  экономические характеристики котлоагрегатов?

9.Охарактеризуйте основные направления  развития угольных технологий.

10.Охарактеризуйте  работу парогазовой установки, работающей по комбинированной схеме.

11. Опишите основные меры энергосбережения в черной металлургии.

12. Опишите основные меры энергосбережения в  цветной металлургии.

13. Назовите величины, которыми можно определить потенциал  различных по происхождению ВЭР.

14. Приведите формулы расчета удельного выхода горючих (тепловых, избыточного давления) ВЭР.

15. На предприятии, где цена пара составляет 250 тенге за 1ГДж, обследование позволило выявить, что ловушка на паропроводе с давлением 1,4 МПа оставлена открытой. Отверстие в ловушке составило 3мм. Какой величины достигают потери пара в результате утечки в год?

16.Давление пара составляет 2,1 МПа, величина отверстия паропровода - 3,8 мм. Для  производства пара используется уголь с теплотой сгорания 30,2 МДж/кг. Рассчитать  потери пара в месяц и связанные с ними потери угля.

17. Рассчитать для г.Астаны потери тепла на  трубопроводе тепловой сети длиной в 4500 м, диаметре труб 57 мм при среднегодовом режиме на магистрали при  подземной канальной прокладке за отопительный период. Оцените расход условного топлива на это тепло и  величину ущерба. 

18.Какие виды материалов и почему нашли широкое применение при  изоляции тепловых сетей?

19.Назовите и дайте характеристику мерам энергосбережения в теплоснабжении.

20.Дайте общую характеристику проблем и перспектив  развития нетрадиционной энергетики.

21. Назовите научные принципы использования возобновляемых источников энергии.

Список литературы

 

1.Дукенбаев К. Энергетика Казахстана. Условия и механизмы ее устойчивого развития. - Алматы, 2004.- 604 с.

2.Чоджой М.Х.Энергосбережение в промышленности. - М.: Металлургия, 1982. - 272с.

3.Полонский В.М.,Трутнева М.С. Энергосбережение: Учебное пособие.-М.: АСВ, 2005.-160с.

4.Колесников А.И., Федоров М.Н., Варфоломеев Ю.М, Энергосбережение в промышленных и коммунальных предприятиях. -М.: ИНФРА-М, 2005.-124с.

5.Сибикин Ю.Д., Сибикин М.Ю. технология энергосбережения.-М.: ФОРУМ:ИНФРА –М, 2006.-352 с.

6.Энергетическая безопасность РК.

7Андрижиевский А.А., Володин В.И. Энергосбережение и энергетический менеджмент.- Мн.: Выш. шк., 2005.-294 с.

8.Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования/Под.ред. Л.Д.Богуславского.-М.: Стройиздат,1990.-624 с.

9.Твайдел Дж, Уэйр А. Возобновляемые источники энергии.- М.: Энергоатомиздат,1990.- 392 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Тепловые насосы

 

Стремление уменьшить затраты первичной энергии (потребляемого топлива) без снижения или даже с увеличением  отдачи энергии конечному потребителю за счет более рационального способа ее преобразования – главная тенденция современной теплотехники. Это относится и к системам теплоснабжения зданий и промышленных объектов.

Отдавая в конечном виде энергию в форме низкотемпературной  теплоты (вода ниже 1000С или воздух  ниже 500С), эти системы потребляют для нагрева высококачественное топливо в котельных с нагревом продуктов сгорания до 15000С, либо, что еще более расточительно, электроэнергию /1/.

В энергобалансе республики  около трети энергоресурсов  приходится на социальную инфраструктуру /2/.

Традиционный путь отопления отдельных домов и коттеджей  - это котлы различной модификации. В то же время за последние годы стали использоваться и альтернативные системы отопления и водоснабжения. Однако до сих пор на рынке строительства в Казахстане не используется  достойная альтернативная техника и технология тепло- и водоснабжения. Это так называемые "тепловые насосы", т.е. тепловое оборудование, предназначенное для использования энергии водных источников, почвы, подземных недр, вторичных теплоресурсов.

 Такое оборудование представлено в различных конфигурациях в зависимости от нужд потребителя, может применяться как для частных вилл и коттеджей, так и для крупных общественно-административных зданий.

 Отопительные установки, использующие тепловые насосы, могут значительно поднять эффективность процесса получения тепла.

Теплонасосные установки (ТНУ), осуществляя обратный термодинамический цикл на низкокипящем рабочем веществе, черпают возобновляемую низкопотенциальную тепловую энергию из окружающей среды, повышают ее потенциал до уровня, необходимого для теплоснабжения, затрачивая в 1,5 - 2,5 раза меньше первичной энергии, чем при прямом сжигании топлива. Применение теплонасосных установок - это и сбережение невозобновляемых энергоресурсов, и защита окружающей среды, в том числе и путем сокращения выбросов СО2 (парникового газа) в атмосферу.

Массовое производство и внедрение тепловых насосов в настоящее время осуществляется  в США, Японии, Германии, Франции, Швеции, Дании,  Канаде, России и других странах. Многие зарубежные специалисты считают, что  в ближайшей перспективе тепловые насосы не только найдут повсеместное применение, но и займут основное место в низкотемпературных системах  теплоснабжения.

Производство тепловых насосов в каждой стране ориентировано, в первую очередь, на удовлетворение потребностей своего внутреннего рынка.

В Германии в эксплуатации находятся сотни тысяч ТНУ, которые используются в водяных, а также в воздушных системах отопления и кондиционирования воздуха /3,18/. Преобладают тепловые насосы с электроприводом. Кроме того, применяют сотни ТНУ большой мощности с приводом от дизельных и газовых двигателей. Источниками теплоты служат воздух (наружный и вытяжной), грунт, вода и др. Крупные тепловые установки работают, как правило, в системах централизованного теплоснабжения. Построено несколько десятков абсорбционных тепловых насосов единичной тепловой мощностью до 4 МВт.

В настоящее время в Германии выделяется самая крупная среди развитых стран государственная дотация из бюджета: за 1 кВт тепловой мощности пущенного в эксплуатацию теплового насоса выплачивается 300 марок. И это при том, что по производству экономичных индивидуальных котлов на жидком и газообразном топливе для централизованного и индивидуального теплоснабжения Германия занимает одно из первых мест в мире. По данным Агентства по тепловым насосам в Берлине на 1997 год в мире было установлено 90 миллионов тепловых насосов.

 В начале 90-х в  США эксплуатировалось свыше 6 млн. тепловых насосов, из них более половины в жилищно-коммунальном секторе. Выпускают тепловые установки более 50 фирм, 30 % вновь строящихся домов типа коттеджей оснащают ТНУ/5/.

В Японии ежегодный выпуск   достиг 500 тыс. штук /5/. В США, Японии и некоторых других странах наиболее распространены воздухо-воздушные реверсивные теплонасосные установки, предназначенные для отопления и летнего кондиционирования воздуха, в то время как в Европе преобладают водо-водяные и водо-воздушные.

В Швеции и других скандинавских странах наличие дешевой электроэнергии и широкое использование систем централизованного теплоснабжения жилых районов и крупных промышленных объектов привели к развитию крупных ТНУ/18,19/.

В Финляндии, Швеции и Норвегии процент использования ТНУ составляет около 30%. Впечатляющим образцом служит теплонасосная станция мощностью 320МВт в Стокгольме. В качестве источника тепла используется вода Балтийского моря температурой  +4°С, охлаждающаяся до +2°С. Летом температура увеличивается, а с ней и эффективность станции. Станция располагается на шести причаленных к берегу баржах.

В Нидерландах, Дании и других странах этого региона наиболее доступным видом топлива является газ, и поэтому быстро развиваются тепловые насосы с приводом от газового двигателя и абсорбционные.

В Швейцарии первые теплонасосные установки были построены еще в 30-х годах. Сейчас в эксплуатации находятся десятки тысяч ТНУ, в основном, небольшой тепловой мощности.

Построены крупные установки для работы в системах централизованного теплоснабжения. Самой крупной из них является установка в г. Лозанне тепловой мощностью 7,0 МВт с электроприводом. Швейцарской национальной программой энергосбережения предусматри-вается за три ближайших года увеличить втрое производство теплоты тепловыми насосами. Для реализации этой программы выделяются значительные дотации.

Структура действующего парка тепловых насосов по тепловым мощностям в разных странах сильно различается. Если для Японии средняя мощность теплового насоса, по-видимому, не превышает 10 кВт, то в Швеции она приближается к 100 кВт.

В программе Минтопэнерго Российской Федерации «Развитие нетрадиционной энергетики России» предусматривают использование  ТНУ для жилищно-коммунального сектора, в том числе в системе централизованного теплоснабжения. Ряд работ будет выполняться в рамках региональных программ энергосбережения и замены традиционных систем теплоснабжения теплонасосными установками (Новосибирская обл., Нижегородская обл., Норильск, Нюренгри, Якутия, Дивногорск, Красноярский край). Среднегодовой ввод тепловых мощностей составит около 100 МВт. Таким образом, в России намечается прорыв в распространении теплонасосных установок.

В Республике Казахстан  на сегодняшний день по данным Yellow Pages - Индустриально-коммерческого справочника Казахстанских производителей товаров и услуг отсутствуют фирмы, производящие теплонасосные установки.

По данным справочника KOMPASS в республике работают подрядчики по установке тепловых насосов для теплоснабжения зданий, а также ряд организаций выполняют проектные работы по ТНУ.

В официальных каталогах девяти Казахстанских Международных выставок «Энерго- и ресурсосберегающее оборудование и технологии» (1998-2006гг) нет сведений о ТНУ.

Научно-исследовательские и внедренческие  работы по применению ТНУ  проводятся  в АИЭС и  ВКТУ /17, 22/.

В настоящее время тепловая мощность мирового парка тепловых насосов, по минимальной оценке, составляет 250 тыс. МВт, годовая выработка теплоты - 1 млрд. Гкал, что соответствует замещению органического топлива в объеме до 80 млн. т.у.т.

Мировой опыт показывает, что энергетические и экологические проблемы с неизбежностью приводят к необходимости широкого применения тепловых насосов.

Согласно прогнозам Мирового энергетического Совета к 2020 г. 75 % теплоснабжения (коммунального и производственного) в развитых странах будет осуществляться с помощью тепловых насосов.

 В 1976г. МИРЭС создал Международный комитет по тепловым насосам, приняты основные понятия (стр.15 настоящего пособия).

В зависимости от источника теплоты и используемого теплоносителя  тепловые насосы и отопительные теплонасосные системы классифицируются следующим образом: воздух – воздух, воздух – вода, вода – воздух, вода – вода, грунт – воздух, грунт – вода.

Важнейшая особенность ТНУ - универсальность по отношению к виду используемой энергии (электрической, тепловой). Это позволяет оптимизировать топливный баланс энергоисточника путем замещения более дефицитных энергоресурсов менее дефицитными.

Еще одно преимущество ТНУ - широкий диапазон мощности (от долей до десятков тысяч киловатт), перекрывающий мощности любых существующих теплоисточников, в том числе малых и средних ТЭЦ.

Использование ТНУ перспективно в комбинированных схемах в сочетании с другими технологиями использования возобновляемых источников энергии (солнечной, ветровой, биоэнергии), так как позволяет оптимизировать параметры сопрягаемых систем и достигать наиболее высоких экономических показателей.

Перечисленные преимущества ТНУ обусловили их широкое и все возрастающее распространение в развитых странах и во всем мире. Ставится задача не о локальном или ограниченном применении теплонасосного теплоснабжения, а о максимальном отказе от прямого сжигания для этих целей органического топлива.

3.1 Общие сведения о работе теплового насоса

Основное назначение теплонасосных установок состоит в использовании теплоты низкопотенциальных источников, например, окружающей среды, тепло грунтовых, артезианских, термальных вод, воды рек, озер, морей, грунтов, воздуха, а также технологическое тепло от производственной деятельности (промышленные и очищенные бытовые стоки, вода технологических циклов, систем водо- и теплоснабжения, тепло, получаемое при очистке дымовых газов и любых других сбросных тепловых потоков).

Принцип работы ТН основан на трансформации (передаче) тепла от низкотемпературных источников тепла окружающей среды к высокотемпературному теплопотребителю за счет фазовых превращений рабочих  веществ (озонобезопасных хладонов R 22, R 134, R 142.).

Проблема снижения затрат на отопление, горячее водоснабжение, обогрев бассейнов и т.п. в условиях Казахстана с продолжительными и суровыми зимами на севере и мягкими - на юге достаточно актуальна на сегодняшний день. Использование для теплоснабжения традиционных источников энергии требует существенных финансовых затрат. Рост цен на энергоносители и высокие расходы на их доставку заставляют задумываться об экономии.

Кроме того, основными недостатками традиционных источников теплоснабжения являются низкая энергетическая (особенно в малых котельных) и экономическая эффективность. Простое и экономичное решение данной проблемы – ТНУ.

 


Рисунок 9 - Принципиальная схема работы компрессионного теплового насоса

 


3.2 Классификация тепловых насосов

 

Все типы тепловых насосных установок можно классифицировать по ряду сходных признаков. Каждый из них отражает только одну характерную особенность установки, поэтому в определении теплонасосной установки может быть два и более признака.

Классификацию теплонасосных установок следует осуществлять, прежде всего, по циклам их работы.

Можно выделить несколько основных типов тепловых насосов:

- воздушно-компрессионнные тепловые насосы;

- тепловые насосы с механической компрессией пара (парокомпрессионный цикл);

- абсорбционные тепловые насосы;

- тепловые насосы, основанные на использовании эффекта Ранка;

- тепловые насосы, основанные на использовании двойного цикла Ренкина;

- тепловые насосы, работающие по циклу Стирлинга;

- тепловые насосы, работающие по циклу Брайтона;

- термоэлектрические тепловые насосы;

- обращённый топливный элемент;

- тепловые насосы с использованием теплоты плавления;

- тепловые насосы с использованием механохимического эффекта;

- тепловые насосы с использованием магнетокалорического эффекта.

Все тепловые насосы по принципу взаимодействия рабочих тел можно объединить в две основные группы:

а) открытого цикла, в котором рабочее тело забирается и отдается во внешнюю среду;

в) замкнутого цикла, в котором рабочее тело движется по замкнутому контуру, взаимодействуя с источником и потребителем теплоты лишь посредством теплообмена в аппаратах поверхностного типа.

Различают одно-, двухступенчатые и каскадные ТНУ, а также ТНУ с последовательным соединением по нагреваемому и охлаждаемому теплоносителям с противоточным их движением.

По назначению: стационарные и передвижные, для аккумулирования тепловой энергии и её транспорта,  утилизации сбросного тепла.

По производительности: крупные, средние, мелкие.

По температурному режиму: высокотемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные.

По режиму работы: стационарные, нестационарные, непрерывные или цикличные, нестационарные с аккумулятором тепловой энергии.

По виду холодильного агента: воздушные, аммиачные, фреоновые, на смесях холодильных агентов.

По виду потребляемой энергии: с приводом от электродвигателя или газовой турбины, работающие на вторичных энергоресурсах и др.

 Рассмотрим ТНУ, для которой источником тепла является грунт. Грунт аккумулирует солнечную энергию. Эта энергия воспринимается грунтом либо непосредственно в форме солнечной радиации, либо косвенно в форме тепла, получаемого от дождя или из воздуха. Грунт имеет свойство сохранять солнечное тепло в течение длительного времени, что ведет к относительно равномерному уровню температуры источника тепла на протяжении всего года, это обеспечивает эксплуатацию теплового насоса с высоким коэффициентом мощности (к.п.д.). На глубинах от 1,20 до 1,50м земля даже в холодные дни остается достаточно теплой. Аккумулированное грунтом тепло передается вместе со смесью воды и антифриза (хладон, рассол), точка замерзания которой должна находиться примерно на уровне -150С.

В испарителе происходит процесс кипения хладона за счет поступления тепла от теплоносителя и одновременного откачивания паров хладона компрессором. Далее пары хладона сжимаются компрессором и с температурой порядка 1000С поступают в конденсатор.

В конденсаторе происходит конденсация паров хладона и одновременное нагревание циркулирующей через него воды. После конденсатора хладон проходит через охладитель, в котором его температура понижается, и поступает в терморегулирующий вентиль, осуществляющий автоматическое поддержание процесса кипения хладона в испарителе. За счет одновременной работы агрегатов теплового насоса и повторения при этом термодинамического цикла реализуется постоянный нагрев воды до задаваемой оператором температуры. Потребляемая от электросети энергия затрачивается, главным образом, на работу компрессора. В экстремальных ситуациях, когда температура наружного воздуха сильно понижена или когда необходимо быстро запустить тепловой насос, используют кратковременно маломощный дополнительный нагреватель.

В таких ТНУ в качестве теплоносителя используются рассол и вода. Теплоноситель проходит через горизонтально проложенные грунтовые теплообменники (которые также называются грунтовыми коллекторами) или через вертикально расположенные теплообменники, так называемые грунтовые зонды. Установки, как правило, эксплуатируются моновалентно.

Источник тепла - грунт с почвенным коллектором требует достаточно большого участка земли, где проложена отопительная система труб, принимающая тепло грунта. Коллектор невозможно использовать, если теплоотдача составляет от 10 до 15 Вт/м2 для сухой, песчаной земли и до 40 Вт/ м2 в грунтовых водах вблизи поверхности.


Гораздо меньше места требуют вертикальные геотермические зонды, которые вводятся буровым инструментом на глубину до 100 м. Геотермические зонды состоят из замкнутых пластиковых труб. Геотермический зонд отбирает тепло так же, как почвенный коллектор. Количество тепла составляет от 30 до 100 Вт на метр зонда. В зависимости от теплового насоса и строения почвы возможна установка нескольких геотермических зондов. В отдельных случаях на установку геотермического зонда необходимо разрешение властей.

 


Рисунок 10 – ТНУ  с грунтовым источником тепла

 

Источником тепля для ТНУ могут служить грунтовые воды. Грунтовые воды - хороший аккумулятор солнечного тепла. Даже в холодные зимние дни они сохраняют постоянную температуру 7-12 0С. В этом их преимущество. По причине неизменного температурного уровня источника тепла коэффициент мощности теплового насоса остается высоким в течение всего года. К сожалению, не везде имеется достаточное количество грунтовых вод надлежащего качества. Но там, где выполняются необходимые условия, грунтовые воды стоит использовать. В случае грунтовых вод, не содержащих кислорода, с высоким содержанием железа и марганца колодцы могут разрушаться. В этих случаях нельзя допускать контакта грунтовых вод с окружающим воздухом, или необходимо соответствующим образом обработать воду. Для работы тепловых насосов при определенных условиях могут использоваться озера и реки, т.к. они тоже выступают в роли аккумуляторов тепла. В этом случае следует предусмотреть промежуточный контур. В качестве теплоносителя в таких установках используется вода.

Тепловые насосы воздух-вода в настоящее время могут эксплуатироваться круглый год (так же как тепловые насосы, использующие грунтовые воды и грунт), однако при низких температурах коэффициент

мощности резко уменьшается. Нагретый  солнцем воздух имеется в наличии всюду. В данном контексте под окружающим воздухом понимается атмосферный воздух. Использование воздуха внутри зданий в качестве источника тепла (отопление) для жилых домов, как правило, исключается. Его использование имеет смысл только в специальных случаях, например, для утилизации тепла отходящих газов на ремесленных предприятиях или в промышленности.

 

Рисунок 11 – ТНУ с источником тепла от грунтовых вод

 


Тепловые насосы даже при -20 0C наружного воздуха дают достаточно тепла. Однако воздух как источник тепла имеет недостаток: он дольше других источников восполняет потери тепла. Тем не менее, при -20 0C коэффициент мощности теплового насоса больше 1.


 


Рисунок 12 – ТНУ с источником тепла от атмосферного воздуха

 

Установка теплового насоса типа «воздух-вода» имеет большое преимущество, так как для других тепловых насосов необходимы дополнительные грунтовые работы или работы, связанные с бурением скважин. В зданиях современной постройки тепловой насос «воздух-вода» может использоваться в сочетании с электронагревательной установкой или в самостоятельном режиме.

В случае насосов, использующих тепло окружающего воздуха, расчет размеров источника тепла задается конструкцией или размером установки.

 

3.3 Принцип работы  и характеристики ТНУ

 

Простейшая схема и цикл на T,S-диаграмме одноступенчатой парокомпрессионной ТНУ показаны на рисунке 13.

Жидкий рабочий агент с параметрами T0 и Р0 поступает в испаритель, где происходит его испарение за счет подвода низкотемпературной теплоты среды Q0. Затем пар сжимается компрессором до давления рК, которому соответствует более высокая температура насыщения ТК, и поступает в конденсатор, где конденсируется и отдает теплоту QК потребителю (воде систем отопления). Затем производится снижение давления конденсата от рК до р0 в дросселе  (или в детандере с частичным возвратом энергии) с понижением его температуры до Т0, т.е. до исходных параметров, и цикл повторяется.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


И - испаритель; КМ - компрессор;  К - конденсатор;   РД - дроссель;

Рисунок 13 - Простейшая схема  и цикл на Т,S-диаграмме  одноступенчатой парокомпрессионной ТНУ

 

Для расчета теплового насоса  требуются следующие исходные данные:

- рабочее тело (РТ); 

- тепловая нагрузка – QВ, кДж/с;

- теплоноситель теплоотдатчика;

- теплоноситель теплоприемника;

- температура теплоносителя на входе в испаритель – ТН1, К;

- температура теплоносителя на выходе из испарителя – ТН2, К;

- температура теплоносителя на входе в конденсатор – ТВ2, К;

- температура теплоносителя на выходе из конденсатора – ТВ1, К;

- характеристика компрессора: тип компрессора, число ступеней;

-характеристики теплообменного оборудования: испарителя, конденсатора.

Методика расчета парокомпрессионной  ТНУ такова.

Находят удельную внутреннюю работу компрессора

lВ = i2 - i1.

Определяют удельный расход теплоты на единицу расхода РТ в отдельных аппаратах установки:

- в испарителе

q0 = i1i4;

- в конденсаторе 

qК = i2i3.

Проверяют энергетический баланс установки на единицу расхода РТ

q = lВ + q0 = qК.

Далее при расчете определяют следующие величины:

- массовый расход РТ

G = QВ/qК ;

-объемную производительность компрессора

V=G υ1,

где   υ 1 – удельный объем  РТ на входе в компрессор;

- расчетную тепловую нагрузку испарителя

Q0 = G  q0;

- расчетную тепловую нагрузку конденсатора

QК = G qК;

- удельную работу компрессора

lКМ = lВЭМ;

-удельный расход электрической энергии на единицу выработанного тепла

ЭТН  =  lКМ / qК;

- электрическую мощность компрессора

NЭ К = lКМ G;

-коэффициент трансформации тепла

φ = 1/ ЭТН;

-холодильный коэффициент

ε = q0/ lКМ;

- среднюю температуру низкотемпературного теплоотдатчика

ТН ср = (ТН1Н2)/2;

- среднюю температуру полученного тепла

ТВ ср = (ТВ1В2)/2;

- коэффициент работоспособности тепла с потенциалом Т Вср

JВ = 1 – ТО.С./ Т Вср;

- коэффициент работоспособности тепла с потенциалом ТК

JК = 1 – ТО.С./ Т К;

- КПД установки с учетом потерь эксергии в конденсаторе (по хладагенту)

η =JВ qК  / lКМ;

- КПД установки без учета потерь эксергии в конденсаторе (по хладагенту)

η =JК qК  / lКМ;

-термический КПД ТНУ

ηТ = qК/ (qК+ lКМ).

Общий КПД ТНУ определяется так

η ТНУ =   φ ηВ η ЭМ η ТП  η КЭС η ЭЛ ,

где φ - коэффициент трансформации тепла;

       ηВ = 0,8 – внутренний КПД компрессора;

       η ЭМ = 0,9 - электромеханический КПД двигателя и  компрессора;

       η ТП = 0,8 - КПД теплового потока, учитывающий потери энергии и рабочего агента в трубопроводах и оборудовании ТНУ;

       η КЭС = 0,4 - КПД КЭС, т.е. источника, вырабатывающего дополнительную электрическую энергию;

       η ЭЛ = 0,95 - КПД электрических линий передач.

Эффективность теплового насоса характеризуется коэффициентом преобразования (КОП) φ, который характеризует отношение количества тепловой энергии, вырабатываемый ТН на 1 кВт затраченной электроэнергии, которая колеблется от 2,5 до 7,8 кВт (т.е.КОП = 2,5 – 7,8), в зависимости от соотношения температур охлаждаемого источника и теплоносителя в системе отопления.

Для идеального теплового насоса коэффициент трансформации тепла

 

φ =  ТК /(ТКИ).

 

Чем выше температура охлаждения источника, тем выше коэффициент преобразования ТН.  При температуре теплоносителя у потребителя тепла равной  +65 0С, ТН является исключительно энергоэффективной установкой: внедрение ТН позволит экономить до 268 кг угля, 84 кг мазута, 58 м3 газа на каждую произведенную Гкал тепла. Срок окупаемости капитальных затрат по сравнению с электрокотельными – 1 год, угольными и мазутными – 2-3 года.

Конструкция теплового насоса позволяет использовать его в диапазоне температур, типичном для наших климатических условий, от – 25°C до +40°C.

 

 

Рисунок 14 - Идеальный и действительный коэффициенты преобразования ТН с поршневым компрессором.

 

Видно, что при температуре испарителя на уровне 00С и температуре конденсатора на уровне 600С коэффициент преобразования реальной установки достигает 3. С увеличением температуры источ-ника низкопотенциального тепла и/или с уменьшением температуры, необходимой потребителю, коэффициент преобразования возрастает и может достигать 4, 5 и больших значений. Очевидно, что применение тепловых насосов особенно эффективно в случае использования воздушных систем и/или напольных систем водяного отопления, для которых температура конденсатора не превышает 35-60оС.

Срок службы ТН до капитального ремонта: 45000 часов для ТН с поршневым компрессором; 60000 часов для ТН с винтовым компрессором.


 


 


 


Рисунок 15 - Промышленные ТНУ различной мощности

 

 

 

3.4 Области применения тепловых насосов

 

3.4.1 Применение тепловых насосов в промышленности

Под применением тепловых насосов в промышленности подразумевается и стационарная энергетика, и технологические процессы производства. Применение тепловых насосов в промышленности регулярно предлагалось уже в течение более 30 лет. Некоторые предложения были реализованы наряду с другими процессами использования сбросного тепла  и используются уже давно. Оставшиеся сомнения относительно масштабов применения постепенно рассеиваются, благодаря большому числу применений систем с приемлемым сроком окупаемости.

Имеется много сфер применения, где главной задачей теплонаносного цикла является охлаждение. Любая система охлаждения должна сбрасывать тепло конденсатора при температуре выше окружающей. Обычно, это тепло сбрасывается в градирне или с помощью воздушного или водяного охлаждения. Его можно использовать для отопления, предварительного нагрева воды и т.п. Поскольку это тепло сравнительно низкого потенциала, его использование ограничивается объектами, находящимися вблизи конденсатора, такими, как склады и фабричные здания. Замена обычных конденсаторов такими,  которые пригодны для восстановления тепла, сравнительно недорога, и капиталовложения быстро окупаются. Коэффициент преобразования здесь нельзя оптимизировать по условиям нагрева, поскольку основное назначение установки - охлаждение. Но это несущественно, так как нагрев получается при малых дополнительных затратах.

Возможности тепловых насосов в процессах сушки следующие. Испаритель поглощает тепло потока влажного сбросного воздуха, одновременно охлаждая его. Охлаждение вызывает конденсацию части влаги, благодаря чему воздух осушается, а затем нагревается в конденсаторе теплового насоса. Следует отметить, что во многих сушилках, особенно для испарения только воды, тепловой насос может хорошо дополнить обычные системы восстановления сбросного тепла «газ – газ», и это экономически оправдано. В этих приложениях может быть и много необычных типов тепловых насосов. Для сушилок предложен рекомпрессионный цикл с использованием перегретого пара в качестве теплоносителя для нагрева.

В процессах испарения и дистилляции применяется тепловой насос третьего типа, основанный на механической рекомпрессии пара. В этом случае весь поток пара проходит через компрессор, а затем через теплообменник, находящийся в сосуде с испаряющейся жидкостью.

Восстановление тепла сбросных потоков жидкости - одна из главных областей расширяющегося применения тепловых насосов, как с электроприводом компрессора, так и с дизельным и газомоторным приводом, работающих по обычному теплонаносному циклу. Перечень производств, где имеются сбросы жидкости с температурой между 10 и 60 0С, велик.

В отличие от многих газовых выбросов, которые имеют высокую температуру, низкопотенциальное тепло  не может быть использовано путем применения обычных теплообменников.

Среди теплообменников типа «жидкость-жидкость» наиболее компактными и эффективными оказались пластинчатые, у которых коэффициент регенерации достигает 90%. Однако восстановленное в них тепло зачастую имеет недостаточно высокую температуру, тогда как вращающийся теплообменник на высокотемпературном сбросном газовом потоке восстанавливает тепло без большого снижения температуры. Можно найти эффективные области совместного применения плоских теплообменников и тепловых насосов, где их совместная работа повышает КОП путем уменьшения разности температур источника и приемника тепла. При совместной работе можно снизить размеры теплового насоса, направляя часть тепла через теплообменник.

Области приложений существенно зависят от характера источника и стока тепла. В промышленности - это холодильные установки с восстановлением тепла для целей отопления, сбрасываемый влажный воздух или другие пары и сбрасываемая жидкость. Сбросные горячие газы хорошо используются с помощью обычных теплообменников.

Источники тепла из окружающей среды ряда процессов также можно использовать, однако, как правило, в промышленных процессах применяется только тепло при такой температуре и в таких количествах, что размещения испарителя в реке, грунте или даже с использованием окружающего воздуха с инженерной точки зрения непрактично и неэкономично. Требуемое повышение потенциала тепла столь велико, что при этом достижимо лишь низкое значение КОП. При использовании холодильной установки как источника тепла можно примириться с низким КОП, так как основным назначением компрессорного агрегата является в этом случае охлаждение, и его нельзя непосредственно сравнивать с тепловым насосом на воздухе или природной воде, работающим только на нагрев.

3.4.2 Применение тепловых насосов для автономного теплоснабжениия

 В европейских странах наиболее широкое применение тепловой насос нашел в домашнем теплоснабжении и кондиционировании воздуха, в особенности в умеренном и резко континентальном климате, где требуется круглогодичное кондиционирование: охлаждение в летние месяцы и нагрев в зимние. Реверсивный тепловой насос, решающий обе эти задачи, выпускается уже 50 лет и является экономичным и надежным.

Тепловые насосы в индивидуальных жилых домах должны выполнять функции, зависящие от местных климатических условий. В силу высокой стоимости оборудования, чем больше функций выполняется тепловым насосом, тем лучше. Первичная энергия затрачивается на отопление, воздушное кондиционирование (там, где оно необходимо) и горячее водоснабжение. Помимо этого, энергия затрачивается на домашние холодильники для хранения продуктов питания, а также для приготовления пищи, освещение и др. Агрегированный тепловой насос должен обеспечивать отопление и кондиционирование воздуха совместно с частичным применением дополнительных нагревателей, когда этого требует погода и допускают экономические условия. Желательно также использовать тепловой насос, хотя бы частично, для домашнего горячего водоснабжения. Тепловой насос может выполнять также и функции холодильника, поскольку они в принципе идентичны. Но домашний холодильник мощностью около 0,5 кВт, включая и глубокое охлаждение, не дает возможности использовать сбрасываемое им в конденсаторе тепло в существенных масштабах. Однако в общественных зданиях и в промышленности комбинированное охлаждение и нагревание дает заметный экономический эффект.

Тепловой насос может использовать различные источники низкопотенциального тепла, отдавая его в конденсаторе при повышенной температуре потоку газа, жидкости или тепловому аккумулятору, жидкому или твердому. В большинстве случаев используется водяная система центрального отопления, в которой горячая вода циркулирует к радиаторам в каждой комнате, или воздушная система отопления, в которой нагретый воздух подается к каждой комнате по каналам. Широко применяются такие комнатные нагреватели: радиаторы, аккумуляционные установки и конвекторы как дополнительные источники тепла. Температура в системах распределения тепла изменяется от 40 для воздушных систем до 1000С в водяных или паровых системах. Типичная температура воды около 750С.

Поскольку эффективность теплового насоса сильно зависит от температуры конденсации, то для тепловых насосов желательно снижение температуры распределения тепла. Очевидно, что при увеличении поверхности теплообмена, например, с помощью панелей в полах, станет пригодной температура 500С. Повышение расхода циркулирующего воздуха позволяет снизить его температуру до 350С. Практическая реализация этих тенденций в новых зданиях сможет радикально изменить отношение к тепловым насосам.

Системы центрального отопления обычного типа с котельными внутри здания обеспечивают и все домашнее горячее водоснабжение. Это обстоятельство следует учитывать при конструировании тепловых насосов. Однако отопление требует больших затрат энергии, чем горячее водоснабжение, и они соотносятся как 60 - 65 и 20%.

Помимо отопления и кондиционирования важной функцией теплового насоса, определяющей его применимость, является горячее водоснабжение. Горячее водоснабжение  и восстановление тепла становятся все более важными по мере роста тенденции к строительству малоэнергоемких домов и полностью интегрированных систем, основанных на тепловых насосах. Пример подобного дома конструкции фирмы Philips приведен ниже. Однако при этом выпадает из виду основная проблема: применение в уже существующих зданиях одной установки, дающей  одновременно отопление и горячее водоснабжение (центральной котельной), тепловым насосом, способным одновременно решать обе задачи.

 


Высокая стоимость электроэнергии препятствует ее применению в широких масштабах для пикового нагрева, и в большинстве случаев отопительная система включает тандем - тепловой насос и котел на органическом топливе (бивалентные системы). При этом тепловой насос дает воду, нагретую до необходимой температуры. Уже на данный момент тепловые насосы являются более экономичными, чем котлы на дизельном топливе или электрическое отопление, а в ближайшем будущем, когда цены На энергоносители сравняются с европейскими, они станут бесспорными лидерами и будут превосходить  даже газовые котлы.

 


Рисунок 16 - Схема системы отопления с тепловым насосом дома фирмы Philips  в Аахене с пониженным потреблением энергии /1/.

             

Также можно предположить, что рост цен будет более резким, поскольку природных запасов нефти и газа осталось всего лишь на 40 и 60 лет соответственно. Кроме прямого экономического эффекта, тепловой насос абсолютно экологически безвредный источник теплоснабжения, пожаро- и взрывобезопасен. Поскольку тепловые насосы не используют в своей работе топливо, то соответственно стоимость их  эксплуатации не будет зависеть от изменения цен на энергоносители.

 

Таблица 17 - Сравнительные характеристики различных типов отопительных установок 

Технические характеристики

Способ обогрева помещения

Газовый котел

Котел на жидком топливе

Электрический котел

Тепловой насос

Стоимость

Средняя

Средняя

Низкая

Высокая

Отапливаемая площадь, м2

180

180

180

180

Мощность установки, кВт

10,8

10,8

10,8

10,8

Площадь котельной, м2

6

6

3

6

Расход электрической энергии, кВтч

1,5

2

13

2

Источник тепловой энергии

Газ

Дизельное топливо

Электри-ческий ток

Тепло земли, электрический ток

Расход энергоносителя в год

5000 м3

10000 литров

69000 кВт

Энергия земли - бесплатно

Срок службы

15-20 лет

15-20 лет

3-8 лет

50 лет

Пожароопасность

Опасен (постоян-ный огонь)

Опасен (постоян-ный огонь)

Опасен

Безопасен

Взрывоопасность

Опасен

Опасен

Опасен

Безопасен

Уровень экологической опасности

Вреден (выделяет CO и NOx)

Вреден (выделяет CO и NOx)

Безвреден

Безвреден

Вентиляция

Необхо-дима

Необхо-дима

Не нужна

Не нужна

Обслуживание

Регуляр-ный осмотр

Регулярн-ый осмотр

Периоди-ческий осмотр

Периоди-ческий осмотр

Надежность

Высокая

Высокая

Высокая

Очень высокая

Автономность при отсутствии снабжения энергоносителями

Не обеспечи-вает

Не обеспечи-вает

Не обеспечи-вает

Обеспечивает при наличии эл.генератора

2 кВт

Возможность охлаждения помещения

Не обеспечи-вает

Не обеспечи-вает

Не обеспечи-вает

Обеспечивает

Окупаемость

Не окупается

Не окупается

Не окупается

Окупается за 7-10 лет

3.4.3 Использование ТНС в системе теплоснабжения

Восстановление тепла обычно связывают с промышленными процессами и большими зданиями. Но индивидуальные дома также сбрасывают много тепла. Несмотря на прерывистый  характер, каждый сброс горячей воды из моющих машин, ванн или душей может служить источником тепла. В случае круглогодичного кондиционирования возможно восстановление сбросного тепла уходящих воздушных потоков.

В /14/ были проведены теоретические расчеты теплонасосной установки, которая позволит, не прибегая к строительству дополнительных тепловых магистралей, увеличить количество потребителей тепла в жилом микрорайоне (при расчетах принято увеличение нагрузки с 5000 кВт до 7500 кВт).


 В расчете за основу принята система дальнего теплоснабжения по двухтрубной схеме, общий вид которой представлен на рисунке 17а. Система отопления с использованием теплонасосной установкой показана на рисунке 17б.

 


      а - схема без ТНУ                                     б - схема с ТНУ

1 - паротурбинная установка (ПТУ); 2 - теплонаносная установка (ТНУ); 3 - основные сетевые подогреватели; 4 - дополнительный сетевой подогреватель; 5 - пиковый источник теплоты; 6 - потребитель теплоты.

Рисунок 17 - Принципиальная схема системы дальнего теплоснабжения по двухтрубной схеме.

В настоящее время на современных теплоэлектроцентралях для повышения эффективности использования топлива производится совместная выработка тепла и электрического тока на паротурбинных установках. На паротурбинной установке (1) производится ступенчатый подогрев воды, поступающей от потребителя (6), в ступенчатых подогревателях (3,4) за счет пара из турбины, что позволяет значительно увеличить удельную выработку электрической энергии.

В условиях дальнего теплоснабжения с целью уменьшения диаметров труб и сокращения расхода электроэнергии на перекачку воды повышаются начальные параметры теплоносителя. В городе «прямая» вода теплосети поступает в соответствии с расчетным температурным графиком (чаще всего 150/700С). Вода теплосети подается в тепловой пункт, где обычно установлен струйный элеватор (смеситель) для понижения температуры прямой воды до 950С (по санитарно-гигиеническим условиям) и создания циркуляции воды в системе отопления.

 Использование теплонаносной установки является энергетически эффективным предприятием, так как для выработки 2700 кВт теплоты установки затрачивает всего 700 кВт электроэнергии. Строительство ТНУ позволяет отказаться от прокладки дополнительных тепловых магистралей, капитальные затраты на которые в 2 раза выше, чем капитальные затраты на строительство основных теплоцентралей. Установка ТНУ позволит увеличить количество потребителей тепла в жилом районе.

Так же важно отметить то, что теплонаносная установка является маневренной системой и позволит оперативно регулировать температуру воды в тепловой сети,  в зависимости от температуры окружающего воздуха.

Кроме этого, следует отметить тот факт, что строительство ТНУ сделает систему централизованного теплоснабжения еще более эффективной и рациональной.

 Устройство системы теплоснабжения по предложенной схеме позволяет повысить экологичность системы за счет того, что появляется возможность вынести источники тепла - основные поставщики загрязнения воздуха - за территорию жилых районов. В месте строительства ТНУ (жилой микрорайон) никаких выбросов в окружающую атмосферу нет.

В связи со строительством многоквартирных  жилых домов, сравнительно холодным климатом, растущей концентрацией промышленности, неизбежным ростом концентрированных потоков отходящей теплоты в городах и промышленных узлах и в соответствии с преимущественным развитием централизованного теплоснабжения наибо­лее перспективными являются крупные ТНС, состоящие из парокомпрессионных водо-водяных ТНУ, ПВК (пиковых водогрейных котлов) и тепловых аккумуляторов.

Назначение ПВК - обеспечить идентичные с ТЭЦ и районными котельными параметры сетевой воды. Назначение тепловых аккумуляторов—обеспечить возможность работы ТНС  не только по свободному, но и по принудительному графику энергопотребления: в часы провалов суточных графиков электрической нагрузки энергосистем. Это будет способствовать выравниванию таких графиков. На рисунке 18 дана принципиальная тепловая схема ТНС  открытой системы теплоснабжения /4/. Часть подпи­точной воды, необходимой для горячего водоснабжения, поступает в конденсатор 2 первого теплового насоса (ТН-1), остальная вода - в охладитель конденсата 3 ТН - II. После смешения потоков вода поступает в вакуумный деаэратор 7, а затем нагревается в конденсаторе ТН - II до температуры, необходимой для горячего водоснабжения.

 

 

 

1 - компрессор теплового насоса с электроприводом; 2 - конденсатор; 3 - охла­дитель конденсата рабочего тела; 4 - дроссель; 5 -испаритель; 6 - водогрейный котел (пиковая водогрейная котельная); 7 - вакуумный деаэратор

Рисунок 18 - Принципиальная тепловая схема ТНС для открытой системы теплоснабжения.

Подогрев воды в деаэраторе до температур испарения в вакууме осуществляется потоком воды, циркулирующей через конденсатор ТН-II. Подпиточная вода после ТН-II смешивается с водой из обратной линии тепловой сети, затем общий поток нагревается в охладителе  конденсата 3 и конденсаторе 2 ТН-III. Догрев воды согласно температурному графику подающей линии тепловой сети осуществляется в пиковой котельной 6.

Во фреоновые контуры ТН включены регенеративные теплообменники между потоком жидкого фреона перед дросселем 4 и потоком пара перед компрессором 1. На рисунке эти теплообменники не показаны. Режим работы ТН-1 и ТН-II, покрывающих тепловую нагрузку горячего водоснабжения, изменяется в течение  года незначительно, реагируя только на изменения температур холодной подпиточной воды и источника низкопотенциальной теплоты. Тепловой насос ТН-III работает в переменном режиме, связанном с температурными графиками воды в подающей и обратной линиях тепловой сети.

Принципиальная схема ТНС для закрытой системы теплоснабжения (рисунок 19) составлена с учетом соответствующих схем водогрейных котельных /4/. Сетевая вода из обратной линии поступает в бак 12, предназначенный для выравнивания суточных колебаний температуры обратной воды из-за неравномерности потребления тепла на горячее водоснабжение. Затем вода насосом 15 подается  в охладители конденсата 3 и конденсаторы 2 параллельно  включенных тепловых насосов и далее, уже нагретая, в бак-аккумулятор 13. Последний, кроме аккумулирования теплоты, выполняет также функцию дефреонатора: обеспечивает испарение и удаление из воды фреона в случае аварийного нарушения герметичности трубок конденсаторов и охладителей конденсата.

1-7 обозначения те же, что на рисунке 18; 8-охладитель выпара; 9-подпгреватель сырой воды;