1. Энергия и ее виды. Назначение и использование. Общая характеристика способов получения энергии. Преимущества электрической энергии

Энергия (от греч. energeie – действие, деятельность, впервые появилось в работах Аристотеля, представляет собой общую количественную меру движения и взаимодействия всех видов материи. Это способность к совершению работы, а работа совершается тогда, когда на объект действует физическая сила (давление или гравитация).

Работа – это энергия в действии. Различают следующие основные виды энергии: механическая; электрическая; тепловая; магнитная; атомная.

Наиболее часто в современной энергетике выделяют традиционную энергетику, основанную на использовании органического (углеводородного) и ядерного топлива, и нетрадиционную энергетику, основанную на использовании возобновляемых и неисчерпаемых источников энергии.

Производство энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей происходит в процессе энергетического производства, в котором можно выделить пять стадий:

1. Получение и концентрация энергетических ресурсов: добыча и обогащение топлива, концентрация напора воды с помощью гидротехнических сооружений и т. д.
2. Передача энергетических ресурсов к установкам, преобразующим энергию (перевозка по суше и воде или перекачка по трубопроводам воды, нефти, газа, передача по проводам электрической энергии и т. д.).
3. Преобразование первичной энергии во вторичную, имеющую наиболее удобную для распределения и потребления в данных условиях форму (обычно в электрическую и тепловую энергию).
4. Передача и распределение преобразованной энергии.
5. Потребление энергии, осуществляемое как в той форме, в которой она доставлена потребителю, так и в преобразованной форме. Потребителями энергии являются: промышленность, транспорт, сельское хозяйство, жилищно-коммунальное хозяйство, сфера быта и обслуживания.

Если общую энергию применяемых первичных энергоресурсов принять за 100 %, то полезно используемая энергия составит только 35–40 %, остальная часть теряется, причем большая часть – в виде теплоты.

Наиболее широко применяемыми видами энергии являются электрическая и тепловая, и, соответственно, традиционную энергетику, главным образом, разделяют на электроэнергетику и теплоэнергетику (рис. 6).

Тепловая энергия широко используется на современных производствах и в быту в виде энергии пара, горячей воды, продуктов сгорания топлива.

Преобразование первичной энергии во вторичную, в частности, в электрическую, осуществляется на станциях, которые в своем названии содержат указания на то, какой вид первичной энергии преобразуется на них в электрическую:

• на тепловой электрической станции (ТЭС) – тепловая;
• гидроэлектростанции (ГЭС) – механическая (энергия движения воды);
• атомной электростанции (АЭС) – атомная (энергия ядерного топлива).

Электрическая энергия является одним из совершенных видов энергии. Ее широкое использование обусловлено следующими факторами:

• получением в больших количествах вблизи месторождения ресурсов и водных источников;
• возможностью транспортировки на дальние расстояния с относительно небольшими потерями;
• способностью трансформации в другие виды энергии: механическую, химическую, тепловую, световую;
• отсутствием загрязнения окружающей среды (при потреблении);
• внедрением на основе электроэнергии принципиально новых прогрессивных технологических процессов с высокой степенью автоматизации.

Уровень развития стран в значительной степени определяется потреблением электрической энергии. Как видно из рис. 1 страны, имеющие высокий уровень развития экономики и социальной сферы (Норвегия, Швеция и др.) имеют и большее удельное потребление энергии. Поэтому, увеличение использования электрической энергии в Республике Беларусь, которое планируется к 2020 г., позволит поднять нашу страну в этом рейтинге.

Единицы измерения энергии:

• в системе СИ – джоуль (Дж). 1 Дж – это работа силы в 1 Н (ньютон) при перемещении точки ее приложения на 1 м, то есть 1 Дж = 1 Н·м;
• калория (ккал), 1 ккал = 4,1868 Дж;
• ватт-секунда (Вт·с) – работа, которая производится в течение 1 с при мощности в 1 Вт, 1 Вт·с = 1 Дж;
• киловатт-час (кВт·ч), 1 кВт·ч = 3 600 000 Вт·с = 3 600 000 Дж.

Рис. 1. Удельное электропотребление

2. Паротурбинные конденсационные электростанции

(КЭС, ГРЭС) и электростанции с комбинированной выработкой тепла и электрической энергии (ТЭЦ), электростанции с газотурбинными (ГТУ) и парогазовыми установками (ПГУ)

В Республике Беларусь более 95 % энергии вырабатывается на тепловых электростанциях (ТЭС), которые по назначению делятся на два типа: конденсационные тепловые электростанции (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на которых осуществляется комбинированное производство электрической и тепловой энергии.

КЭС и ТЭЦ (рис. 2 ) имеют схожие технологические процессы. В обоих случаях имеется котел, в котором сжигается топливо, и за счет выделяемого тепла нагревается пар под давлением. Далее нагретый пар подается в паровую турбину, где его тепловая энергия преобразуется в энергию вращения. Вал турбины вращает ротор электрогенератора, в котором энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, которая подается в сеть.

Рис. 2 . Схема ТЭС: С – склад топлива; ВЗ – водозабор; Н – насос; К – конденсатор; Т – турбина; Г – генератор

Принципиальным отличием ТЭЦ от КЭС является то, что часть нагретого в котле пара уходит на нужды теплоснабжения (дополнительно к конденсатору устанавливается теплообменник (ТО), где пар нагревает воду, подаваемую в тепловые магистрали (рис. 3)). При такой комбинированной выработке электроэнергии и тепла достигается значительная экономия топлива по сравнению с раздельным электроснабжением от КЭС и выработкой тепла от местных котельных (рис. 4). На ТЭЦ производится около 25 % электроэнергии, их КПД составляет 70–80 %.

Рис. 3. Схема ТЭЦ

Рис. 4. Сравнение эффективности выработки энергии с помощью КЭС и ТЭЦ

Основу современных газотурбинных электростанций составляют газовые турбины мощностью 25–100 МВт.

Как видно их схемы (рис. 5) в газотурбинной электростанции газовое топливо подается в камеру сгорания, туда же подается сжатый воздух от компрессора. Продукты сгорания отдают энергию газовой турбине, которая вращает электрический генератор и компрессор. Запуск установки осуществляется от стартового двигателя (на рисунке не показан), что позволяет газотурбинные станции быстро запускать и использовать для покрытия пиков нагрузки. Основная часть тепла выбрасывается в атмосферу, что обуславливает низкий КПД = 25–30 % и значительное влияние на экологию.

Парогазовая установка – это турбинная теплосиловая установка, в тепловом цикле которой используются два рабочих тела – газы, поступающие из камеры сгорания, и водяной пар (рис. 6).

Рис. 5. Схема газотурбинной электростанции: 1 – воздушный компрессор; 2 – газовая турбина; 3 – генератор; 4 – топливный насос; 5 – камера сгорания

Рис. 6. Схема парогазовой установки: 1 – воздушный компрессор; 2 – газовая турбина; 3 – электрогенератор; 4 – топливный насос; 5 – камера сгорания; 6 – подогреватель; 7 – котел; 8 – паровая турбина; 9 – конденсатор водяного пара; 10 – питательный насос

Поступающий воздух из атмосферы в компрессор 1 (см. рис. 6) сжимается с повышением температуры и подается в камеру сгорания 5, в которую при помощи топливного насоса подается газовое топливо. В камере сгорания 5 происходит горение топлива, а образующиеся газы поступают в газовую турбину 2, где и совершается работа. Отработанные газы с температурой 350 °С и пониженным давлением поступают в подогреватель 6, где нагревают питательную воду, поступающую в котел 7 и, охладившись при этом, сбрасываются в атмосферу. Питательная вода используется в котле для получения пара, который подается в паровую турбину 8 с температурой около 540 °С. Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор 9, а образовавшийся конденсат при помощи насоса 10 направляется сначала в подогреватель 6, где воспринимает тепло отработавших газов в газовой турбине, а затем – в паровой котел 7. Термический коэффициент полезного действия установок свыше 60 %.

Котельная установка (рис. 7) представляет собой комплекс устройств для получения водяного пара под давлением или горячей воды. Она состоит из котлоагрегата и вспомогательного оборудования, газо- и воздухопроводов, трубопроводов пара и воды с арматурой, тягодутьевых устройств и др. В настоящее время широко применяются блочно-модульные котельные (см. рис. 7).

а

б

Рис. 7. Блочно-модульная котельная: а – конструкция; б – общий вид

Районные или производственные котельные предназначены для централизованного теплоснабжения жилищно-коммунального хозяйства или самого предприятия (рис. 8). С вводом в действие ТЭЦ некоторые из них остались без дела и могут использоваться как резервные и пиковые, и тогда их называют резервно-пиковыми.

Рис. 8. Общий вид и оборудование районной котельной

3. Атомные электростанции

Развитие атомной энергетики обусловлено следующими причинами:

1. исчерпаемость углеводородных источников (разведанные мировые запасы нефти – на 46 лет, газа – на 60 лет, см. п. 1). В то же время ожидается, что глобальное потребление энергоресурсов к 2030 г. увеличится на 60 %).
2. проблема глобального изменения климата, связанная с эмиссией парниковых газов от углеводородных источников энергии.

Тепловые схемы АЭС зависят от типа реактора, вида теплоносителя, состава оборудования, и могут быть одно-, двух-и трехконтурными. При одноконтурной схеме, как видно из рис. 9, пар вырабатывается непосредственно в реакторе и поступает в паровую турбину. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и конденсат подается насосом в реактор.

Рис. 9. Схема одноконтурной АЭС: 1 – атомный реактор; 2 – турбина; 3 – электрогенератор; 4 – конденсатор водяных паров; 5 – питательный насос

Недостатки: пар (рабочее тело) на выходе из реактора становится радиоактивным, что предъявляет повышенные требования к биологической защите и затрудняет проведение контроля и ремонта оборудования.

В двухконтурной схеме (рис. 10) давление в первом контуре (контуре теплоносителя) значительно выше, чем во втором. Полученный в теплогенераторе пар подается в турбину, совершает работу, затем конденсируется, и конденсат питательным насосом подается в парогенератор. Это усложняет установку и уменьшает ее экономичность, но препятствует появлению радиоактивности во втором контуре.

Рис. 10. Схема одноконтурной АЭС: 1 – атомный реактор; 2 – теплообменник-парогенератор; 3 – главный циркуляционный насос; 4 – турбина; 5 – электрогенератор; 6 – конденсатор водяных паров; 7 – питательный насос

В трехконтурной схеме (рис. 11) теплоносителями первого контура служат жидкие металлы (например, натрий). Радиоактивный натрий из реактора поступает в теплообменник промежуточного контура с натрием, которому отдает теплоту и возвращается в реактор. Давление натрия во втором контуре выше, чем в первом, что исключает утечку радиоактивного натрия.

В промежуточном втором контуре натрий отдает теплоту рабочему телу (воде) третьего контура. Образовавшийся пар поступает в турбину, совершает работу, конденсируется и поступает в парогенератор.

Во всем мире самая дешевая энергия вырабатывается на атомных электростанциях. По предварительным оценкам, Белорусской АЭС будет производить около 27–30 % всей потребляемой в республике энергии (Франция – 78 %).

Рис. 11. Схема трехконтурной АЭС: 1 – ядерный реактор с первичной биологической защитой; 2 – вторичная биологическая защита; 3 – турбина; 4 – генератор; 5 – конденсатор; 6 – циркуляционные насосы; 7 – регенеративный теплообменник; 8 – резервуар с водой; 9 – парогенератор; 10 – промежуточный теплообменник; Т – повышающий трансформатор; ТСН – трансформатор собственных нужд; РУ ВН – распределительное устройство высокого напряжения (110 кВ и выше); РУ СН – распределительное устройство собственных нужд

Ввод в эксплуатацию Белорусской АЭС на фоне существующей динамики цен на внешние энергоносители позволит сдержать рост тарифов на электроэнергию. На Белорусской атомной электростанции будет два энергоблока с реакторами типа ВВЭР-1200 (водноводяной) каждый мощностью до 1200 МВт (рис. 12, 28). Проектируемая мощность АЭС составляет 2,4 тыс. МВт (КПД – около 30 %). Срок ввода в эксплуатацию первого энергоблока – 2019 г.

Рис. 12. Схема реактора типа ВВЭР Белорусской АЭС

Рис. 13. Общий вид строительной площадки Белорусской АЭС

Недостатки АЭС:

1. При эксплуатации АЭС образуется большое количество радиоактивных веществ в топливе, теплоносителе, конструкционных материалах, что требует специальных методов их утилизации, и соблюдения требований безопасности для обслуживающего персонала.
2. Требования специальных методов утилизации или переработки отработанного топлива.
3. Опасность аварий. Для решения этой проблемы повышаются требования к надежности и безопасности АЭС.

4. Гидроэнергетика

Гидроэлектроэнергия является традиционным источником энергии с одной стороны и возобновляемым – с другой. В настоящее время гидроэнергия составляет около 4 % от общего мирового потребления энергии.

Гидроэлектростанция представляет собой комплекс гидротехнических сооружений и энергетического оборудования, посредством которых энергия водных потоков или расположенных на относительно более высоких уровнях водоемов преобразуется в электрическую энергию (рис. 14).

Технологический процесс получения электроэнергии на ГЭС включает:

• создание разных уровней воды с помощью плотины (исключение: мини ГЭС проточного типа);
• превращение энергии потока воды в энергию вращения вала гидравлической турбины;
• превращение гидрогенератором энергии вращения в энергию электрического тока.

Рис. 14. Оборудование ГЭС

Индикаторами мощности гидроэлектростанции являются расход воды и гидростатический напор, зависящий от разности высот между начальной и конечной точками падения воды. Проект станции может основываться на каком-то одном из этих показателей или на обоих.

Преимущества гидроэлектростанций:

• работа ГЭС не сопровождается выделением угарного газа и углекислоты, окислов азота и серы, пылевых загрязнителей и других вредных отходов, тем самым не загрязняет почву;
• вода – возобновляемый источник энергии;
• производительность ГЭС легко контролировать, изменяя скорость водяного потока (объем воды, подводимый к турбинам);
• водохранилища, сооружаемые для гидростанций, можно использовать в качестве зон отдыха, порой вокруг них складывается поистине захватывающий пейзаж;
• вода в искусственных водохранилищах, как правило, чистая, так как примеси осаждаются на дне. Эту воду можно использовать для питья, мытья, купания и ирригации.

Недостатки гидроэлектростанций:

• большие водохранилища затопляют значительные участки земли, которые могли бы использоваться с другими целями;
• разрушение или авария плотины большой ГЭС практически неминуемо вызывает катастрофическое наводнение ниже по течению реки;
• сооружение ГЭС неэффективно в равнинных районах;
• протяженная засуха снижает и может даже прервать производство электроэнергии ГЭС;
• экологические проблемы: плотина снижает уровень растворенного в воде кислорода, поскольку нормальное течение реки практически останавливается, что отрицательно влияет на флору и фауну водохранилища; плотина может нарушить нерестовый цикл рыбы.

5. Транспортирование и потребление тепловой и электрической энергии. Тепловые сети. Тепловая изоляция. Потери энергии при транспортировке

Основными потребителями тепловой и электрической энергии являются промышленные предприятия и жилищно-коммунальное хозяйство.

Для большинства производственных потребителей требуется тепловая энергия в виде пара (насыщенного или перегретого) либо горячей воды. Например, для силовых агрегатов, которые имеют в качестве привода паровые машины или турбины (паровые прессы, ковочные машины, турбонасосы и др.), необходим пар с давлением 0,8–3,5 МПа и температурой до 250–450 °С.

Для технологических аппаратов и устройств (разного рода подогреватели, сушилки, химические реакторы) преимущественно требуется насыщенный или слабо перегретый пар под давлением 0,3–0,8 МПа и вода с температурой до 100–150 °С.

В жилищно-коммунальном хозяйстве основными потребителями теплоты являются системы отопления и вентиляции жилых и общественных зданий, системы горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха. В жилых и общественных зданиях температура поверхности отопительных приборов в соответствии с требованиями санитарно-гигиенических норм не должна превышать 95 °С, а температура воды в кранах горячего водоснабжения должна быть не ниже 50–60 °С в соответствии с требованиями комфортности и не выше 70 °С по нормам техники безопасности.

Электрическая энергия используется основными потребителями (промышленность, жилищно-коммунальное, сельское хозяйство и др.), в виде напряжения 220/360 В.

Одной из важнейших задач политики энергосбережения является снижение потерь при транспортировке тепловой и электрической энергии от производителя к потребителям.

Системой теплоснабжения называется комплекс устройств по выработке, транспорту и использованию теплоты. Снабжение тепловой энергией потребителей (систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и технологических процессов) состоит из трех взаимосвязанных процедур: сообщения теплоты теплоносителю, транспорта теплоносителя и использования теплового потенциала теплоносителя.

Теплоноситель – среда, которая передает теплоту от источника теплоты к нагревательным приборам систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.

По виду теплоносителя системы теплоснабжения делятся на две группы – водяные и паровые. В водяных системах теплоснабжения теплоносителем служит вода, в паровых – пар. В Беларуси для городов используются водяные системы теплоснабжения. Пар применяется на промышленных объектах для технологических целей (рис. 15).

а                                                                                                              б

Рис. 15. Схемы теплоснабжения: а – водяная; б – паровая

Системы водяных теплопроводов могут быть однотрубными (рис. 16) и двухтрубными (рис. 17). Наиболее распространенной является двухтрубная система (по одной трубе подается горячая вода потребителю (давление 0,4–1,0 МПа, температура 90–200 °С), по другой, обратной, охлажденная вода возвращается на ТЭЦ или котельную (давление 0,2–0,4 МПа, температура 70 °С).

Рис. 16. Схема однотрубной системы отопления

Рис. 17. Схемы двухтрубной системы теплоснабжения и отопления

Основными элементами тепловых сетей являются трубопровод, состоящий из стальных или пластмассовых труб, соединенных между собой с помощью сварки, изоляционной конструкции, предназначенной для защиты трубопровода от наружной коррозии и тепловых потерь, и несущей конструкции, воспринимающей вес трубопровода и усилия, возникающие при его эксплуатации (рис. 18). Применяется канальная и бесканальная система прокладки трубопроводов (теплотрасс). Канальная система, как видно из рис. 18, б, требует рытья траншеи под бетонный короб, располагаемый чаще всего ниже глубины промерзания грунта. Трубы располагаются на несущих конструкциях в коробе, который закрывается бетонной крышкой и засыпается грунтом. В зимнее время в коробе сохраняется положительная температура, что снижает теплопотери в окружающую среду, исключают повреждения теплоизоляционного слоя трубопроводов.

а                                                                                                       б

Рис. 18. Общий вид бесканальной (а) и канальной прокладки (б) теплосети

В настоящее время для монтажа теплосетей в основном применяются предварительно изолированные трубы (ПИ-трубы), стальные (рис. 19, 35) и пластмассовые (рис. 21, 37).

а                                                                                                           б

Рис. 19. Стальные предварительно изолированные трубы: а – конструкция; б – общий вид

Рис. 20. Монтаж стальных ПИ-труб

Рис. 21. Конструкция и общий вид пластмассовых ПИ-труб

Рис. 22. Монтаж пластмассовых ПИ-труб

Преимущества использования ПИ-труб:

1. они изготавливаются в условиях производства с использованием специальной оснастки и инструмента, что обеспечивает лучшее качество изоляции, точность размеров, производительность труда и снижает в итоге стоимость технологии;
2. к трубам изготавливаются в условиях производства угловые фитинги, переходники и т. п., что также упрощает их монтаж в полевых условиях;
3. пластмассовые предварительно изолированные трубы могут монтироваться прямо в траншею, нет необходимости использования бетонных коробов и угловых соединений, что снижает стоимость и увеличивает производительность монтажных работ (см. рис. 22).

Чем длиннее трубы (больше радиус действия тепловых сетей), тем больше энергии затрачивается на прокачку теплоносителя, больше тепловые потери. Основное количество теплоты транспортируется в холодное время года, т. е. при значительной разности температур теплоносителя и окружающей среды; эта разность обуславливает величину потерь, а также нарушения теплоизоляции (рис. 23).

Рис. 23. Общий вид теплотрасс в зимнее время (источники теплопотерь)

По ходу теплоносителя устраиваются специальные камеры, колодцы, в которых находятся задвижки, вентили, манометры, компенсаторы (П-образные, линзовые, сальниковые), стойки, фиксаторы и т. п., увеличивающие теплопотери (рис. 24).

Рис. 24. Дополнительные источники теплопотерь на теплотрассах

Особенно велики теплопотери при бесканальной прокладке труб (так называемые «наружные» тепловые сети), где требуется большие расходы на теплоизоляцию. Плохая эксплуатация (открытые люки, поврежденная изоляция, влажность, сквозняки и т. п.) также увеличивает теплопотери.

6. Электрические сети. Электрическая изоляция. Потери энергии при транспортировке

Электроэнергетическая (электрическая) система – это совокупность электрических частей станций, сетей и потребителей электроэнергии, связанных общностью режима и непрерывностью процесса производства, распределения и потребления электроэнергии (рис. 25). Электрическая сеть – совокупность электроустановок для распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, воздушных и кабельных линий электропередачи (рис. 26).

Выбор номинального напряжения ЛЭП определяется передаваемой мощностью и расстоянием.

По величине номинального напряжения сети подразделяются:

• на сети низкого напряжения (НН) – до 1,0 кВ (рис. 27, а);
• среднего напряжения (СН) – 3–35 кВ;
• высокого напряжения (ВН) – 110–220 кВ (рис. 27, б);
• сверхвысокого напряжения (СВН) – 330–750 кВ;
• ультравысокого напряжения (УВН) – свыше 1000 кВ (рис. 27, в).

Рис. 25. Схема магистральных электросетей Беларуси

Рис. 26. Типовые электроустановки электросети

Рис. 27. Общий вид электросетей различного напряжения

Важный элемент электрических сетей – линии электропередач. В настоящее время используются воздушные (см. рис. 27) и кабельные линии электропередач (рис. 28). Воздушные линии электропередач – традиционная, хорошо отработанная технология в электроэнергетике. Они дешевле в монтаже, но подвержены влиянию внешних воздействий (обрывы, повреждения, коррозия и т. п.), кроме этого занимают земельные угодья (особенно с учетом охранной зоны). Этих недостатков лишены кабельные линии электропередач. Однако высоковольтные кабели являются дорогостоящими изделиями, требующими специальных методов изоляции. С развитием технологий стоимость кабелей снижается.

Рис. 28. Общий вид и прокладка кабельных линий электропередач

Электрическая подстанция – электроустановка, предназначенная для приема, преобразования и распределения электрической энергии, состоящая из трансформаторов или других преобразователей электрической энергии, устройств управления, распределительных и вспомогательных устройств (рис. 29).

Рис. 29. Общий вид оборудования подстанций различной мощности

В состав подстанций входит кроме трансформаторов большое количество силового коммутационного оборудования, системы и секции шин, системы защиты и автоматики, заземляющие устройства и др.

В электрических сетях применяются следующие виды изоляции:

• воздушная (обеспечение необходимого расстояния между проводами (рис. 30));
• с помощью керамических изоляторов (см. рис. 30);
• пластмассовая, бумажная (кабельные линии) (рис. 31).

Рис. 30. Воздушная изоляция и изоляция с помощью керамических изоляторов

Рис. 31. Бумажная и пластмассовая изоляция электрических кабелей

1. Потери технического характера. Они возникают при передаче энергии по электросетям и обусловливаются физическими процессами, которые происходят в проводах и оборудовании:
   • падение напряжения за счет сопротивления проводов. Закон Ома: U = I · R, P = U · I);
   • реактивные потери (неполного поглощения энергии, ее отражения от нагрузки и циркуляция паразитных токов в проводах при cos f ≠ 1 (обычно 0,3–0,8);
   • увеличение сопротивления контактов (износ контактов переключателей, пускателей и др.;
   • токи утечки (уменьшение сопротивления изоляции). Электрические сооружения и агрегаты могут быть отдельно стоящими или встроенными в основные промышленные объекты и обеспечивать технологические процессы, работу агрегатов, контроль и управление производством.
2. Электроэнергия, которая расходуется на обеспечение работы подстанций и деятельности персонала.
3. Потери, которые обусловлены погрешностями при измерении приборами электроэнергии.
4. Потери коммерческого характера. Это хищения энергии, различия в показаниях счетчиков и произведенной оплаты потребителями.

Международные эксперты определили, что энергетические потери при передаче по электрическим сетям считаются соответствующими требованиям, если их показатель не выше 4–5 %. В том случае, когда они достигают 10 % их нужно считать максимально допустимыми (для стран с большой территорией). Как уже отмечалось выше, в настоящее время энергопотери в электросетях Республики Беларусь не превышают 9 %.

7. Энергетическое хозяйство промышленных предприятий. Источники энергопотерь

Энергетическое хозяйство промышленных предприятий представляет собой единый взаимосвязанный технический комплекс, состоящий из цехов, сооружений и агрегатов, обеспечивающих прием, преобразование, транспортировку и использование различных видов энергии.

Энергохозяйство предприятия включает в себя установки и сети электро-, тепло-, паро-, воздухо-, газо- и водоснабжения.

Существуют две системы управления энергохозяйством: централизованная и децентрализованная. При системе централизованного управления энергохозяйством эксплуатация всех установок как общезаводского характера, так и цеховых производится службой главного энергетика (рис. 32). Весь персонал предприятия, связанный с энергетикой, подчиняется непосредственно главному энергетику, как в техническом, так и в административном порядке.

Эта система управления находит широкое применение на небольших предприятиях с малым потреблением энергетических ресурсов. Все объекты энергохозяйства обычно эксплуатируются одним производственным подразделением – энергоцехом, начальник которого подчиняется главному энергетику.

Система децентрализованного управления энергохозяйством является наиболее целесообразной для крупных предприятий, где отдельные цеха, по существу, представляют собой заводы малой или даже средней мощности.

При этой системе энергетические установки в производственных цехах предприятия находятся в ведении и эксплуатации того цеха, где они установлены. Ответственность за состояние и рациональную эксплуатацию внутрицеховых энергетических установок несут начальник и энергетик (механик) производственного цеха.

Рис. 32. Система централизованного управления энергохозяйством

Наиболее важными источниками потерь энергии являются:

1. потери в технологических процессах, обусловлены неправильным применением и/или недогрузкой основного технологического оборудования (для уменьшения потерь ТЭР в технологическом цикле необходимо подавать их потребителям в строгом соответствии с действительными, а не расчетными нагрузками);
2. потери из-за перегрузки оборудования и роста технологической энергоемкости;
3. потери, обусловленные несоответствием качества электроэнергии;
4. потери из-за нарушений метрологического характера (отсутствие на входе и выходе технологических энергетических систем счетчиков ТЭР, превышение погрешностей от заданных в технической документации у имеющихся средств измерений);
5. потери из-за методических погрешностей расчетов (ошибки в определении норм потерь и норм выработки, потребления энергии и топлива для производства продукции и оказания услуг).

Для того, чтобы детально разобраться с состоянием энергоиспользования на предприятии или в организации необходимо провести независимое энергетическое обследование (энергоаудит, будет рассматриваться ниже, составить по итогам работы аналитические энергетические балансы с выделением в расходной части полезно использованного энергоресурса и его потерь, дифференцировав последние по вышеуказанным направлениям.

8. Графики электрических и тепловых нагрузок

По видам потребления различают пять групп электрических и тепловых нагрузок:

1. промышленная нагрузка;
2. коммунально-бытовое потребление;
3. электрический транспорт;
4. уличное освещение;
5. сельскохозяйственные нужды.

Характеристика видов нагрузок:

• промышленная нагрузка за счет одно- и двухсменных режимов работы предприятий снижается в ночное и вечернее время.
• коммунально-бытовое потребление значительно в утреннее и вечернее время, вечерний пик более продолжительный.
• транспортные перевозки имеют пики в утренние и вечерние часы.
• уличное освещение имеет максимум в ночные часы.
• сельскохозяйственные графики потребления достаточно равномерны с сезонным изменением его величины.

График нагрузки – это потребление энергии в зависимости от времени суток, месяца, года. Графики нагрузки существенно отличаются для воскресных и рабочих дней, для зимних и летних месяцев и т. п. (рис. 33, 49). Кроме этого, графики нагрузки отдельных потребителей и в целом энергосистемы имеют неравномерный характер. В одни часы суток требуется большая суммарная мощность генераторов, а в другие – часть генераторов или электростанций должна быть отключена или работать с меньшей нагрузкой. Этот факт является одной из задач обеспечения эффективности работы энергетической системы страны, в том числе связанной с энергосбережением.

Рис. 33. Типовые графики электрических и тепловых нагрузок

Рис. 34. Годовой график потребления теплоты потребителем: 1 – неравномерное; 2 – равномерное

Из графиков нагрузки отдельных потребителей складывается суммарный график потребления для энергосистемы страны, так называемая «национальная кривая нагрузки». Задача энергосистемы состоит в обеспечении этого графика. Количество электростанций в энергосистеме страны, их установленная мощность определяются относительно непродолжительным максимумом национальной кривой нагрузки. Поэтому в ночное и зимнее время может иметь место недоиспользование энергетического оборудования, удорожание энергосистем, рост себестоимости вырабатываемой тепловой и электрической энергии.

Чтобы обеспечить неравномерные графики нагрузки, электроэнергетические системы должны быть достаточно маневренными, т. е. способными быстро изменять мощность электростанций.

В большинстве промышленно развитых странах превалирующая часть электроэнергии, около 80 %, вырабатывается на ТЭС, для которых наиболее желателен равномерный график нагрузки. Обычные паровые котлы и турбины тепловых станций допускают изменение нагрузки на 10–15 %. Работа крупных ТЭС в резко переменном режиме нежелательна, так как приводит к повышенному расходу топлива, износу теплосилового оборудования и снижению его надежности.

Еще более нежелательны переменные режимы для АЭС. Поэтому ТЭС и АЭС работают в режиме так называемых базовых электростанций, покрывая неизменяющуюся постоянную нагрузку энергосистемы, т. е. базовую часть графика нагрузки.

Основными способами покрытия пиков электрической нагрузки являются:

• использование временной перегрузки паротурбинных ТЭС за счет режимных мероприятий (изменение параметров пара перед турбиной, отключение пользователей и т. п.);
• аккумулирование энергии путем заполнения газохранилищ сжатым воздухом, используемым затем в газотурбинных установках;
• накопление теплоты в виде горячей воды в баках-аккумуляторах;
• использование избыточной электроэнергии для получения водорода (электролиз воды);
• использование ТЭЦ, как наиболее экономичного способа получения тепловой энергии;
• эксплуатация гидроэлектростанций благодаря простоте пуска, останова, регулирования, возможности изменения нагрузки;
• использование резерва мощности обычных паротурбинных энергоблоков, работающих в режиме частых пусков и остановов;
• применение высокоманевренных агрегатов, таких как пиковые и полупиковые паротурбинные, газотурбинные, парогазовые и гидроаккумулирующие электростанции;
• гидроаккумулирующие электростанции (в период минимальных электрических нагрузок они перекачивают воду из нижнего водохранилища в верхнее, потребляя энергию из сети, а в период максимальных нагрузок работают как ГЭС).

Решение задачи выравнивания национальной кривой нагрузки обеспечивается также реализацией политики управления спросом на энергию, т. е. управлением энергопотреблением, которое может осуществляться социально-экономическими мероприятиями, в частности, дифференцированными тарифами на тепловую и электрическую энергию.

В периоды максимумов нагрузки устанавливаются более высокие тарифы, что стимулирует потребителей к перестройке работы с целью уменьшения потребления в часы максимума нагрузки энергосистемы.