Транспортировке электроэнергии.

Произведенная на крупных источниках (ТЭС, котельные) энергия должна быть доставлена потребителям. Основные виды потребляемой энергии - электроэнергия и теплота.

Качество электроэнергии, кроме силы потребляемой тока и подведенного напряжения, характеризуется еще двумя важными параметрами: частота (должна быть 50 герц, отклонения даже на 0.1 Гц ухудшает работу многих приборов и аппаратов) и " косинус фи" - косинус угла между векторами напряжения и силы тока: этот параметр называется еще коэффициентом мощности, т.к. он равен отношению активной мощности к полной. Таким образом, для контроля электроэнергии, отпускаемой потребителю, необходимо иметь следующие приборы: амперметр, вольтметр, частотомер, измеритель cos φ, электросчетчик. Особенность электроэнергии как товара - непосредственное потребление произведенного, т.к. в электроснабжении пока нет аккумуляторов соответствующей мощности. Поэтому необходимо согласовывать выход энергии у производителя, расходование у потребителя, потери при транспортировке. Естественно, мероприятия по энергосбережению немыслимы без правильного учета потоков энергии. При ухудшении качества электроэнергии потребитель вправе требовать уменьшение цены ее. Электрическая энергия распределяется по линиям электропередач ЛЭП.

Линия электропередачи (ЛЭП) - электроустановка для передачи электрической энергии на расстояние, состоящая из проводников тока и вспомогательных устройств. ЛЭП является одним из основных звеньев электрических систем и вместе с электрическими подстанциями образуют электрические сети. Выбор номинального напряжения ЛЭП определяется передаваемой мощностью и расстоянием; различают ЛЭП низкого (до 1кВ), среднего (3…35 кВ), высокого (110…220 кВ), сверхвысокого (330…1000 кВ) и ультравысокого (более 1000 кВ) напряжения. Повсеместно используются главным образом трехфазные ЛЭП переменного тока. На рис.2.1 представлена схема основной электрической сети энергосистемы Республики Беларусь.

Рис.2.1. Схема основной электрической сети энергосистемы Республики Беларусь

Электроэнергия - чистый и дорогой продукт, транспорт которого отработан достаточно совершенно; потери электроэнергии на ЛЭП сопоставлены с затратами, уменьшающие их. Потери активной и реактивной энергии на ЛЭП переменного тока составляют порядка 10%, постоянного тока - несколько меньше, и уменьшение потерь связано с перерасходом дорогих материалов и установкой сложного оборудования. Потребление энергии подразумевает преобразование у потребителя получение энергии в форму, требующуюся потребителю, или для создания определенных условий, продукта, действия (механическая энергия, химические преобразования, температурной уровень и т.д.). Электрическая энергия потребляется практически в момент ее выработки. Основные потребители - электродвигатели, нагреватели, аппараты химического производства, осветители. Чаще используется переменный трехфазный ток. При заданном напряжении для получения одной и той же мощности требуется тем большая сила тока, чем меньше cos φ (угол между векторами тока и напряжения). Увеличение силы тока приводит к потерям энергии на нагрев в соединяющих электрогенераторы и приемники линиях электропередачи и к дополнительной нагрузке генераторов, т.е. перерасход топлива на ТЭС. Поэтому используются специальные устройства между генераторами и приемниками - так называемые синхронные компенсаторы (это батареи конденсаторов или вращающаяся электромашина) - для компенсации сдвига фаз и увеличения cosφ до 1. Для предприятий, потребляющих электроэнергию, должно быть cosφ > 0, 9. Если используется двигатель, установленная мощность которого больше требуемой, cos φ уменьшается, т.к. бесполезно " прокачивается" по обмоткам двигателя реактивная мощность, идущая на перемагничивание обмоток, не производящая механической работы (на что тратится активная мощность). Поэтому правильный подбор электродвигателей, особенно по мощности - важный фактор энергосбережения. При использовании электроэнергии для нагрева и ведения химических процессов следует уменьшать непроизвольные тепловые потоки и образования разного вида отходов.

2.2. Тепловые сети. Потери энергии при транспортировке тепла.

Потребление энергии подразумевает преобразование у потребителя получение энергии в форму, требующуюся потребителю, или для создания определенных условий, продукта, действия (механическая энергия, химические преобразования, температурной уровень и т.д.).

Качество тепловой энергии должно быть таким, чтобы у потребителя при потреблении ее реализовались требуемые условия: при отоплении - необходимая температура нагревательных приборов, вентиляции - температура воздуха, на паровых машинах - требуется механическая мощность, в технологических процессах - вывод соответствующей продукции (например, количество и качество бетонных или керамических изделий). Поэтому с точки зрения потребителя тепловая энергия должна иметь показания по следующим параметрам: температура теплоносителя (обычно воды или пара); давление (особенно пара); расход теплоты и общее количество теплоты.

Работоспособность (эксергия) характеризуется превышением температуры теплоносителя над температурой окружающей среды; для ее определения нужно знать исходные и конечные величины энтальпии и энтропии, которые определяются по температуре и давлению. Тепловая энергия от теплоносителя передается потребителю через теплообменник, его эффективность тем выше чем больше исходная температура. Однако при теплообмене работоспособность теряется. Поэтому необходимо оптимум, выражающийся в максимальном суммарном эффекте. Такой оптимум в настоящее время практически не определяется, и это одно из направлений энергосбережения при производстве и потреблении теплоты.

Температура измеряется различными термометрами, давление - манометрами. Основной прибор для теплоснабжения - тепломер (счетчик тепловой энергии). Его действия основано на уравнении теплового баланса: потребленная энергия равна подведенной в прямой трубопроводе минус возвращенная в обратный трубопровод (если не возвращаться, то минус состояние при температуре окружающей среды). Следовательно, расход теплоты равен произведению расхода теплоносителя, его теплоемкости, разности температур теплоносителя на входе и выходе у потребителя. Поэтому тепломер представляет собой расходомер воды (пара), в котором учитывается указанная разность температур. Конструкции тепломера различны. Обычно приборы учета потребления теплоты потребителем находятся в тепловых пунктах, их обслуживает жилищно-коммунальная служба.

Необходимо также учитывать расход топлива. Если расход газа и нефти определяется достаточно точно известными типами расходомеров, то данные по расходу твердого топлива (уголь, торф, дрова) менее точны.

Тепловая энергия с точки зрения потерь при транспорте намного сложнее. Основное количество теплоты транспортируется в холодное время года, т.е. при значительной разности температур теплоносителя и окружающей среды; эта разность обуславливает величину потерь. Коэффициент теплоотдачи от элементов теплопередающей системы в окружающую среду даже нормативный, проектируемый составляет существенную величину: от 8 до 35 Вт/(м²к), в условиях эксплуатации он может быть еще выше. Если путь теплоносителя к потребителю несколько километров, доля потерь теплоты по отношению к исходному ее количеству может составлять 20…60%.

Тепловая энергия в виде горячей воды или пара транспортируется от ТЭЦ или котельных к потребителям по специальным трубопроводам, которые называются тепловой сетью.

Тепловая энергия распределяется при помощи водных тепловых сетей:

Прямой ток: давление 4…10 атм., температура 90…200 ;

Обратный ток: давление 2…4 атм., температура 70 ;

Тепловые сети: магистральные (по главным направлениям населенного пункта), распределительные (внутри кварталов), ответвления (подвод к домам), - делятся на водяные (прямая и обратная трубы) и паровые (паропровод и конденсатопровод), используются стальные трубы от 20 до 600 мм диаметром, покрытые теплоизоляцией. Эти трубы находятся в проходных каналах (одновременно с другими инженерными коммуникациями), в непроходных каналах (обычно коробчатой конструкции из бетонных блоков), или в виде бесканальной прокладки. Чем длиннее трубы (больше радиус действия тепловых сетей), тем больше энергии на прокачку теплоносителя, больше тепловой потери. Поэтому радиус ограничен 10 км. Для последующих потребителей требуется уже другой источник теплоты.

По ходу теплоносителя устраиваются специальные камеры, колодцы (задвижки, вентили, манометры), компенсаторы (" П" - образные, линзовые, сальниковые), стойки, фиксаторы и т.д., увеличивающие теплопотери. Особенно велики теплопотери при открытой прокладке труб (так называемые " воздушные" тепловые сети), требуется большие расходы на теплоизоляцию. Плохая эксплуатация (открытые люки, поврежденная изоляция, влажность, сквозняки и т.д.) увеличивает теплопотери.

Вода нагревается в водогрейном котле ТЭЦ или котельной (или в специальных подогревателях) и насосом подается в тепловую сеть города. Неплотности по трассе, в сальниках насосов ведут к утечкам горячей воды. Температура горячей воды из централизованного теплоисточника колеблется от 90 до 200^оС. От теплоносителя вода возвращается с расчетной температурой 70^оС. При меньшей обратной температуре: а) необходимы большие размеры нагревательных приборов у потребителей; б) кородируют трубы котлов из-за конденсации водяных паров из продуктов сгорания.

Пар образуется в парогенераторах и с давлением 1, 5…2 атм поступает в паровую тепловую сеть; в нагревательных приборах потребителя он конденсируется, остывает и возвращается на ТЭЦ или котельную.

Место подсоединения теплопотребителя к тепловой сети (ввод), называется тепловым пунктом, они подразделяются на индивидуальные - ИТП (для присоединения систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения оного здания) и центральные - ЦТП (два и более здания). В тепловых пунктах устанавливается оборудование для преобразования вида теплоносителя или его параметров, контроля параметров, регулирования расхода теплоносителя и его распределения, защиты от аварийного повышения параметров, заполнения и подпитки систем, сбора и возврата конденсата, аккумулирования теплоты, водоподготовки для горячего водоснабжения. Утечки теплоносителя, плохая теплоизоляция оборудования дают теплопотери.

Основная часть тепловой энергии идет на отопление. Отопление - это компенсация тепловых потерь в окружающую среду данного помещения, объекта при условии поддержания в нем заданной температуры. Если температура в помещении больше, чем снаружи, то всегда имеется тепловой поток, называемый теплопотерями. Этот поток никогда не равен нулю (только при равенстве температур). т.е. все тепло, введенное в помещение, в конце концов оказывается в окружающей среде. Поэтому неуместны восклицания о том, что " греем небо". Другое дело - величина, интенсивность этого потока (количество тепла в единицу времени). Она зависит от термического сопротивления наружных ограждений - стен, окон, потолка, пола и т.д. (толщина деленная на теплопроводность). Очевидно, увеличивая толщину и переходя на более совершенный теплоизоляционный материал, можно уменьшить теплопотери, уменьшить необходимую мощность системы отопления, уменьшить расход топлива на получения тепловой энергии. Однако при этом возрастает стоимость сооружения, поэтому термическое сопротивление нормируется. Нахождение оптимума по минимуму затрат - наиболее правильный путь энергосбережения, но чаще нормы усредняют расчет для разных потребителей. Поэтому с точки зрения энергосбережения желательно для конкретных практических случаев уточнять экономически целесообразные термические сопротивления ограждений.

В системах отопления тепло передается в помещении при помощи нагревательных (отопительных) приборов; обычно это чугунные и стальные радиаторы и конвекторы. Для повышения эффективности работы отопительных приборов следует:

1) не ограждать их декоративными решетками;

2) не заглублять в ниши;

3) использовать темную окраску;

4) при большом количестве секций делить на несколько батарей;

5) не располагать их высоко;

6) при установке на наружных стенах применять теплоизоляцию со стороны стены;

7) иметь отключающий и регулирующий вентиль;

8) следить за чистотой межреберного пространства в конвекторах.

По условиям энергосбережения недопустимо использовать электроэнергию для отопления зданий, т.к. для производства единицы электроэнергии необходимо несколько единиц тепловой (получающейся при сжигании топлива). Конечно, бывают единичные случаи, когда вынуждены применять электрообогрев, но надо стремиться к получению теплоты при сжигании топлива, ибо КПД в этом случае близко к 100%. Отрицательные факторы при этом - топливное хозяйство, необходимость очистки газов, пожарная безопасность. При правильном использовании совершенных теплогенераторов огневого типа эффект энергосбережения безусловен.

2.3. Графики электрических и тепловых нагрузок.

Структура энергопотребления в Республике Беларусь.

В Беларуси есть централизованная энергосистема электростанций суммарной мощностью 7.2 МВт с линиями электропередач и тепловыми сетями, а также развитая система газо- и нефтепроводов. Из собственных запасов добывается около 2 млн. тонн нефти, 0.3 млрд.м³ природного газа, 4-5 млн. тонн торфа, 5-6 млн.м³ древесины. В 1999г. собственные энергоресурсы Беларуси составили примерно 15% от потребляемых ТЭР. Предполагается, что в общем объёме топлива в 2000г. доля природного газа превысит 70%, а мазута составит около 20-30%, т.е. энергетика Беларуси ориентирована на экологически чистое топливо – природный российский газ. Потребление тепловой и электрической энергии в течение времени суток носит неравномерный характер (рис.2.2). Также неравномерный характер представляет график потребления тепловой энергии в зависимости от времени года (рис.2.3).

Режимы теплопотребления имеют значение при планировании теплоснабжении объектов.

Рис.2.4 Структура теплоэлектропотребления

в Республике Беларусь

Имея годовой график теплопотребления (рис.2.3), можно подсчитать общий годовой расход теплоты Q_г, как площадь под кривой тепловых нагрузок. Режимы расходования теплоты различными предприятиями различны.

Существуют потребители, расходующие теплоту круглый год, например, горячее водоснабжение, но неравномерно (в течение суток, недели, месяца и т.д.). Некоторые потребители расходуют теплоту в течение всех дней недели, другие потребляют ее на технологические нужды лишь в рабочие дни, а в субботу и воскресенье оставляют работающими только системы отопления. Неравномерное потребление теплоты в течение суток характерно для предприятий с одно- двухсменным режимом работы. Потребление тепловой и электрической энергии сильно дифференцировано по отраслям народного хозяйства. Из диаграмм рис.2.4 видно, что в Республике Беларусь основным потребителем электроэнергии является промышленность, а тепловой энергии жилищные организации.

Тема 3. Нетрадиционные и возобновляемые

источники энергии

Возобновляемые - это ресурсы, энергия которых непрерывно восстанавливается природой: энергия рек, морей, океанов, солнца, ветра, земных недр и т.п.

Невозобновляемые - это ресурсы, накопленные в природе ранее, в далекие геологические эпохи, и в новых геологических условиях практически не восполняемые (органические топлива: уголь, нефть, газ). К невозобновляемым энергоресурсам относится также ядерное топливо.

Энергетика на ископаемом топливе (тепловые, конденсационные электрические станции, котельные) стала традиционной. Однако оценка запасов органического топлива на планете с учетом технических возможностей их добычи, темпов расходования в связи с ростом энергопотребления показывает ограниченность запасов. Особенно это касается нефти, газа, высококачественного угля, представляющих собой ценное химическое сырье, которое сжигать в качестве топлива нерационально и расточительно. Отрицательное влияние оказывает сжигание больших количеств топлива в традиционных энергетических установках на окружающую среду: загрязнение, изменение газового состава атмосферы, тепловое загрязнение водоемов, повышение радиоактивности в зонах ТЭС, общее изменение теплового баланса планеты.

Практически неисчерпаемы возможности ядерной и термоядерной энергетики, но с нею связаны проблемы теплового загрязнения планеты, хранения радиоактивных отходов, вероятных аварий энергетических гигантов.

В связи с этим во всем мире отмечается повышенный интерес к использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Их природа определяется процессами на Солнце, в глубинах Земли, гравитационным взаимодействием Солнца, Земли и Луны. Установки работающие на возобновляемых источниках, оказывают гораздо меньшее воздействие на окружающую среду, чем традиционные потоки энергии, естественно циркулирующие в окружающем пространстве. Экологическое воздействие энергоустановок на возобновляемых источниках в основном заключается в нарушении ими естественного ландшафта.

В настоящее время возобновляемые энергоресурсы используются незначительно. Их применение крайне заманчиво, многообещающе, но требует больших расходов на развитие соответствующей техники и технологий. При ориентации части энергетики на возобновляемые источники важно правильно оценить их долю, технически и экономически оправданную для применения. Эта задача - оценить, использовать потенциал возобновляемых ресурсов, найти их место в топливно-энергетическом комплексе - стоит перед экономикой Беларуси. Ее решение поможет смягчить дефицитность энергосистемы республики, позволит снизить зависимость от импорта энергоресурсов, будет способствовать стабильности экономики и политической независимости.

При планировании энергетики на возобновляемых источниках важно учесть их особенности по сравнению с традиционными невозобновляемыми. К ним относятся следующие.

¨ 1.Периодичность действия в зависимости от неуправляемых человеком природных закономерностей и, как следствие, колебания мощности возобновляемых источников от крайне нерегулярных, как у ветра, до строго регулярных, как у приливов.

¨ 2.Низкие, на несколько порядков ниже, чем у возобновляемых источников (паровые котлы, ядерные реакторы), плотности потоков энергии и рассеянность их в пространстве. Поэтому энергоустановки на возобновляемых источниках эффективны при небольшой единичной мощности и прежде всего для сельских районов.

¨ 3.Применение возобновляемых ресурсов эффективно лишь при комплексном подходе к ним. Например, отходы животноводства и растениеводства на агропромышленных предприятиях одновременно могут служит сырьем для производства метана, жидкого и твердого топлива, а также удобрений.

¨ 4.Экономическую целесообразность использования того или иного источника возобновляемой энергии следует определять в зависимости от природных условий, географических особенностей конкретного региона, с одной стороны, и в зависимости от потребностей в энергии для промышленного, сельскохозяйственного производства, бытовых нужд, с другой. Рекомендуется планировать энергетику на возобновляемых источниках для районов размером порядка 250 км.

При выборе источников энергии следует иметь в виду их качество. Последнее оценивается долей энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу. Электроэнергия обладает высоким качеством. С помощью электродвигателя более 95% ее можно превратить в механическую работу. Качество тепловой энергии, получаемой в результате сжигания топлива на тепловых электростанциях, довольно низкое - около 30%.

Возобновляемые источники энергии по их качеству условно делят на три группы:

1.Источники механической энергии, обладающие довольно высоким качеством:

Ø ветроустановки - порядка 30%,

Ø гидроустановки - 60%,

Ø волновые и приливные станции - 75%.

2.Источники тепловой энергии:

Ø прямое или рассеянное солнечное излучение,

Ø биотопливо, обладающее качеством не более 35%.

3.Источник энергии, использующие фотосинтез и фотоэлектрические явления, имеют различное качество на разных частотах излучения; в среднем КПД фотопреобразователей составляет порядка 15%.

Основными нетрадиционными и возобновляемыми источниками энергии для Беларуси являются гидро-, ветроэнергетические, солнечная энергия, биомасса, твердые бытовые отходы.

3.1.Солнечная энергетика.

Возможность использования солнечной энергии.

Известно два направления использования солнечной энергии. Наиболее реальным является преобразование солнечной энергии в тепловую и использование в нагревательных системах. Второе направление - системы непрямого и прямого преобразования в электрическую энергию.