Тема 1. Введение

Волгодонский инженерно-технический институт – филиал НИЯУ МИФИ

КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙ

По дисциплине «Введение в специальность»1 семестр

Для студентов заочной формы обучения

по направлению 140700 «Ядерная энергетика и теплофизика»

Полная/сокращенная программа

В работе

Составитель:

Морозов С.В.

Волгодонск 2012

Содержание

Лекция 1. Введение.………….……………………………………… 3-13

Лекция 2. Энергетические ресурсы………...………………………… 14-53

Лекция 3. Современные способы получения энергии …………………54 -62

Лекция 4. Тепловые конденсационные электрические станции………62-73

Лекция 5. Теплоэлектроцентрали …………………..……………….. 73-76

Лекция 6. Газотурбинные и парогазовые установки…………..……… 76-80

Лекция 7. Гидравлические и аккумулирующие электрические станции 80-91

Лекция 8. Атомные электрические станции…………..………………..92-144

Лекция 9. Современные способы преобразования энергии…………..144-164

Список литературы………………………………………………………………….21-22

ТЕМА 1. ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Введение в специальность» знакомит первокурсников с их будущей специальностью — энерге­тикой, ее значением в современном обществе, историей развития и влиянием ее на технический прогресс. От то­го, насколько заинтересуется студент будущей специаль­ностью, в значительной степени зависит его последующая студенческая и даже инженерная биография. В процессе учебы студент получает не только представление о бу­дущей специальности, но и определенные навыки рабо­ты в вузе. Эта единственная за все время обучения об­щеэнергетическая дисциплина дает представление о всех разделах энергетики и их взаимосвязях, энергетических системах и основных, происходящих в них процессах преобразования, передачи и потребления энергии, прин­ципах работы и конструктивном выполнении энергетиче­ских установок, современном состоянии и перспективах развития энергетики.

Энергетика как сфера деятельности человеческого об­щества является большой глобальной системой, вклю­чающей как подсистемы окружающую среду и различные отрасли народного хозяйства.

Понятия «энергетика» и «энергетическая наука» упо­требляются давно, однако вкладываемый в них в настоя­щее время смысл нельзя считать установившимся.

Под энергетикой, или энергетической системой, следу­ет понимать совокупность больших естественных (при­родных) и искусственных (созданных человеком) систем, предназначенных для получения, преобразования, рас­пределения и использования в народном хозяйстве энер­гетических ресурсов всех видов. На рис. 1 показана такая совокупность систем, их прямые (сплошные линии) и обратные (штриховые линии) связи. При этом подчер­кивается системный подход к энергетике, т. е. она рассматривается как большая система, включающая в себя на правах подсистем части других больших систем.

Энергетика имеет большое значение в жизни челове­чества. Уровень ее развития отражает уровень развития производительных сил общества и возможности научно-технического прогресса.

Рис.1. Структурная схема энергетики и связей ее с дру­гими подсистемами

Основу современной энергетической науки, рассматривающей энергетику как большую систему, является совокупность развивающихся искусственных систем, взаимодействующих с естествен­ными системами. Отдельные подсистемы большой систе­мы энергетики являются, в свою очередь, также больши­ми системами.

Энергетика в ее современ­ном состоянии и тем более в ее развитии должна рас­сматриваться в трех аспектах — техническом, со­циально-политическом и биосфериче­ском, или экологическом.

По мере развития энергетики эти три аспекта прояв­ляются в большой глобальной системе и в отдельных ее подсистемах, например, электроэнергетике, гидроэнерге­тике, топливоснабжении и т. д. При этом следует иметь в виду тесную взаимосвязь аспектов, которая при после­довательном рассмотрении их свойств может не учиты­ваться.

Технический аспект энергетики характеризу­ется прежде всего огромными мощностями, которые по­лучает человек, используя энергетический потенциал пла­неты. Так, мощность электростанций, существующих в настоящее время в мире, составляет около 2 млрд. кВт. Общая же мощность всех энергетических установок до­стигает 10 млрд. кВт. Для обеспечения этих мощностей человек ежегодно берет у природы разного топлива, при­веденного к условному, массой не менее 40—50 млрд. т. При этом КПД использования взятых у природы энерге­тических ресурсов не очень велик — не более 20%. От­сюда возникает одна из основных задач энергетики — снижение потерь энергии на всех стадиях ее преобразо­вания (от получения энергетических ресурсов до конеч­ного их использования). Для этого необходимо и улуч­шение оборудования, и более разумное использование по­лученной энергии, что уже выходит из сферы чисто тех­нической и должно рассматриваться в социальном ас­пекте.

Снижение потерь при передаче, получении и распре­делении электрической энергии зависит в значительной степени от количества израсходованного металла, в ос­новном алюминия. Допуская большие плотности тока в сечении провода (1, 0—1, 2 А/мм²), снижают расход алю­миния, но увеличивают потери электроэнергии. Измене­ние мировой конъюнктуры в отношении цен на алюминий таково, что этот металл становится дешевле, поэтому в энергетике капиталистических стран проявляется тенден­ция к резкому снижению плотностей тока (0, 35 А/мм²). Следовательно, стоимость алюминия непосредственно влияет на выбор сечения проводов линий электропередач, т. е. на определение технических характеристик электри­ческой системы. Снижение потерь энергии путем утепле­ния промышленных и жилых зданий, выработки пра­вильных тарифов на электроэнергию, которые бы стиму­лировали потребление энергии в «провалах» графика на­грузки и приводили бы к уменьшению этого потребления во время максимумов, определяется успешным решением социально-экономических задач.

Вопросы быстро нарастающего использования энерге­тических ресурсов планеты должны рассматриваться не только в техническом аспекте, но и в аспекте влияния энергетических установок и процессов добычи топлива на окружающую среду, т. е. в аспекте экологиче­ском. При этом возникает общий технико-экологиче­ский вопрос: при столь высоких темпах развития энерге­тики не наступит ли полное истощение всех запасов топ­лива и не произойдет ли это раньше, чем человечество получит в свое распоряжение новые огромные ресурсы термоядерной энергии. Запасы топлива на планете оце­ниваются по-разному, с очень большими расхождениями в зависимости от вида запасов: готовые к использованию оцениваются в 25 трлн. МВт-ч, разведанные составляют 50 трлн. МВт-ч, а прогнозируемые—100 трлн. МВт-ч. Иными словами, соотношение запасов в зависимости от вида можно записать как 1: 2: 4. Кроме того, на приве­денные цифры существенно влияет способ подсчета за­пасов топлива, а именно: учитывалось ли топливо, на­ходящееся на морском дне, учитывались ли битуминоз­ные пески, какая глубина добычи топлива предполага­лась и т. д. Можно утверждать, что еще не на одну сотню лет человечеству хватит ископае­мого топлива, получаемого из недр планеты. Например, предполагается, что угля хватит на 600—700 лет, Это, конечно, не означает, что экономия топлива не является важнейшей задачей. Энергетическая система, по­казывает важность сбережений расходуемых энергоре­сурсов. В связи с этим приводится ряд мероприятий, в частности увеличение объема централизованного тепло­снабжения потребителей с 65 до 72%, что дает экономию примерно 3 млрд. руб. в год.

Расходование топлива относится не только к техни­ческому и биосферическому аспектам, но и в значитель­ной мере к социально-политическому аспек­ту. Так, 30% населения земного шара потребляет более 90% всей вырабатываемой на планете энергии, на долю же 70% населения, преимущественно в развивающихся странах, приходится менее 10% всей энергии. Между тем, уровень промышленности, состояние быта и развитие культуры теснейшим образом связаны с количеством ис­пользуемой энергии.

Созданные человеком энергетические установки, име­ющие огромные суммарные мощности, оказывают замет­ное влияние на естественные процессы, происходящие в биосфере. Это влияние во многих случаях носит негатив­ный характер, который необходимо учитывать при рас­смотрении биосферического аспекта энерге­тики. Отсюда появляется задача ши­рокого управления энергетикой, такого управления, ко­торое бы осуществлялось не только в техническом аспек­те, но и аспекте биосферическом, тесно связанном с со­циально-политическим аспектом. Техника открывает не­ограниченные возможности для организации управления: использование кибернетических методов, сбор и переда­ча информации, широкое использование вычислительной, микропро­цессорной техники и т. д. Но эти возможности ограничи­ваются социально-политическими и экономическими ус­ловиями существования и развития общества.

На развитие технических проблем оказывают влияние экологические и психологические факторы. Ярким приме­ром здесь может служить создание линий электропереда­чи сверхвысокого напряжения (1200 кВ), сооружение ко­торых в США задерживается из-за отрицательного об­щественного мнения, которое подогревается конкуриру­ющими компаниями, отражается также в соответствую­щих постановлениях или даже в законах отдельных шта­тов, запрещающих проводить линии высокого напряже­ния по территории данного штата. Искусственное созда­ние такого общественного мнения базируется, можно ска­зать, наобывательских представлениях о влиянии излу­чений вообще и, в частности, электромагнитных излуче­ний высоковольтных передач на живые организмы и рас­тения. Со времен Герца и Попова, открывших и приме­нивших электромагнитные волны, было молчаливо при­нято, что поскольку живой организм непосредственно не ощущает этих излучений, то какое-либо влияние их на организм отсутствует. Однако оказалось, что в зависи­мости от частоты излучений (частоты колебаний) и на­пряженности поля, создаваемого этими колебаниями (градиента), такое влияние может быть или значитель­ным, или практически незаметным. Так, при градиенте 20 кВ/м пребывание в электромагнитом поле даже в те­чение нескольких минут вызывает те или иные функцио­нальные расстройства организма. Однако если умень­шить этот градиент до 5 кВ/м, то никаких неприятных явлений и последствий не ощущается. На расстоянии 10—15 м от линии электропередачи ее влияние на орга­низм полностью отсутствует.

Если проектирование и сооружение энергетических объектов ведется без должного учета их влияния на био­сферу, то это может приводить к серьезным последстви­ям. Так, построенная на границе Бразилии и Парагвая в настоящее время вторая по мощности в мире гидроэлектростанция (Итайпу), имеющая 20 генераторов по 700 МВт, с общей мощностью 14000 МВт вызывала ряд серьезных опасений в том, что строительство может привести к серьезным последстви­ям в виде землетрясений, при­чем землетрясения были бы такой силы, что обычно приня­тая шкала Рихтера оказалась бы недостаточной для их оценки.

В ряде стран, в первую очередь, в тех, где широко развит туризм, остро стоит вопрос об изменении ландшафта сооружением линий электропередачи, труб электростанций идр., что отпугивает туристов. Во Фран­ции, Австрии, Италии энергетиками проводятся специ­альные работы, определяющие влияние технических со­оружений на ландшафт. При этом оказывается, что в ря­де случаев именно из-за этого влияния приходится ме­нять технические решения. Например, снабжение юга Италии электроэнергией могло бы осуществляться 5—8 линиями существующего напряжения 400 кВ. Однако при этом потребуется большая площадь (большая полоса) отчуждения, а опоры и провода многочисленных линий передач не впишутся в ландшафт. Более приемлемым оказывается сооружение линии 1200 кВ вдольавтомо­бильной трассы, что нанесет минимальный эстетический урон окружающей среде. Таким образом, появляется но­вый вид отрицательного влияния на окружающую сре­ду — эстетическое.

Энергетика, впрочем, как и вся промышленность, ока­зывает следующие отрицательные воздействия на окру­жающую среду:

1) механическое загрязнение воздуха, воды и земли частицами несжигаемых ресурсов (зола, шлаки и др.);

2) химическое загрязнение воздуха, воды и земли;

3) радиоактивное загрязнение воздуха, воды иземли;

4) тепловое загрязнение;

5) ионизационное за­грязнение;

6) электромагнитное высоко- и низкочастот­ное загрязнение;

7) шумовое загрязнение;

8) расход воз­духа (кислорода);

9) расход земли;

10) расход воды.

Рассмотренные влияния определенным образом отра­жаются на климате, меняя энергетику атмосферы, возможности, управления которой пока в достаточной мере не выяснены. Эти виды влияний и их количественные значения различны в разных регионах мира.

Из понятия энергетики выте­кает понятие энергетической науки, предмет и методы ее изучения. Под энергетической наукой понимается систе­ма знаний о свойствах и взаимодействиях энергетических потоков, влиянии их на человеческое общество в соци­альном, экономическом и научно-техническом планах, влиянии на окружающую среду. Такое определение энер­гетической науки соответствует общему понятию науки как формы общественного сознания, отображенной в си­стему упорядоченных знаний, которые корректируются в ходе социального и научно-технического прогресса.

Энергетическая наука занимается изучением законо­мерностей процессов и явлений, прямо или косвенно свя­занных с получением необходимых для народного хозяй­ства энергетических ресурсов и созданием установок, вы­рабатывающих, преобразующих и потребляющих раз­личные виды энергии.

Развиваясь в тесной связи с электро-, тепло- и гидро­техническими дисциплинами, а также многими другими научными дисциплинами, энергетическая наука требует применения математики, физики, автоматики и киберне­тики. Большое значение имеет управление энергетикой с ее быстро протекающими процессами и огромными мощ­ностями. Здесь требуется автоматическое управление всей энергетикой в широком смысле, включая ее разви­тие и функционирование.

Энергетическая наука, понимаемая в широком смысле, развивается в трех основных направлениях:

1) изучение закономерностей развития и оптимальных пропорций энергетики и электрификации, а также изуче­ние природы и свойств больших развивающихся систем в энергетике. Это направление, имеющее своей целью со­вершенствования методов прогнозирования, планирова­ния и эксплуатации систем энергетики, тесно связано с социальными процессами, экономикой страны;

2) совершенствование способов получения, преобразо­вания, передачи, распределения и использования энерго­ресурсов и энергии различных видов; повышение КПД всех энергоустановок и уменьшение их экологического влияния (неблагоприятного воздействия на природу и живые организмы, т. е. на биосферу);

3) создание новых методов и средств получения энер­гии и преобразование различных видов энергии в элект­рическую; разработка новых способов передачи электри­ческой энергии и ее использование в стационарных и пе­редвижных установках. Здесь энергетика очень тесно смыкается с физикой.

Будучи большой системой и взаимодействуя с подси­стемами (рис. В.1), энергетика в теоретическом ас­пекте связана с рядом научных дисциплин и обычно рас­сматривается состоящей из отдельных разделов. В этих разделах выделяют общую энергетику, управление энер­гетикой, включая проблемы кибернетики электрических систем, электро, - гидро- и теплоэнергетику, атомную энергетику. К энергетике в широком плане относится также топливоснабжение, включающее в себя снабже­ние ископаемым топливом (углем, газом, нефтью, ядерным горючим). Каждый из разделов энер­гетики имеет определенные, в известной мере самостоя­тельные экономические, практические и научные задачи. Широту этих задач, возникающих перед специалистами, работающими в отдельных отраслях и разделах энергетики, можно характеризовать хотя бы тем, что специали­сты-энергетики готовятся сейчас по многим специально­стям и специализациям.

Такое дифференцирование энергетических проблем произошло исторически. В настоящее время оно стано­вится не вполне оправданным, вызывая трудности при решении комплексных задач энергетики, требующих от специалистов широкого кругозора в проблемах, которые стоят перед современной и тем более будущей энергети­ческой наукой и техникой.

Роль инженера в современном обществе велика и в перспективе будет еще больше. В последние десятилетия понятие «инженер» в значительной степени утратило ту творческую, изобретательскую сторону, которая должна быть для него характерна. Ведь само слово «инженер» — французского происхождения — подразумевает человека, способного к созданию нового, к изобретательности. По­нятие «техника» также связано с творческим характером труда. Оно происходит от слова «техне», которым в Древней Греции характеризовали ремесленников, осо­бенно прославившихся своим мастерством. В современ­ных условиях революционных изменений в сфере мате­риального производства и в системе теоретических и прикладных наук функции инженера становятся более ответственными, творческими и понятие «инженер» в си­лу объективных изменений вновь приобретает прежний творческий смысл. Теперь и в будущем, когда нетворче­скую работу в сфере умственного труда будут выполнять вычислительные машины, возможности для творческой научной деятельности инженера расширяются. Инженеры могут и должны непосредственно превращать науку в производительную силу общества, используя ее достиже­ния для повышения производительности труда и качест­ва продукции в сфере материального производства.