75. Энергоснабжение городов: понятие энергетики города, роль, значение, энергетический баланс, энергетическая политика.

Все электроприемники по назначению и характерным признакам могут быть классифицированы следующим образом:

1) силовые электроустановки общепромышленного назначения: насосные, вентиляционные и компрессорные установки, подъемно-транспортные устройства; 2) осветительные электроустановки: применяемые в светильниках электрические лампы; 3) бытовые электроприборы; 4) преобразовательные установки: тяговые подстанции городского электрифицированного транспорта, работающего на постоянном токе; 5) производственные механизмы: электродвигатели, приводящие в действие технологическое оборудование, станки предприятий бытового обслуживания и общественного питания; 6) электротермические установки, предназначенные для преобразования электрической энергии в тепловую. В жилых домах высотой более 9 этажей применяются электрические плиты мощностью до 8 кВт. К этой же группе относится термическое оборудование предприятий общественного питания.

Эл. энергия имеет особенность одномоментного производства ее и потребления. Потребность в эл. энергии меняется в зависимости от времени суток и времени года. Для планирования производства электроэнергии необходимо иметь характеристику электропотребления предприятия, города, региона за определенный период времени. Такой характеристикой является график нагрузки, который определяет зависимость электропотребления, выраженного в единицах мощности, от времени.

Различают суточные, сезонные и годовые графики нагрузок. Суточные графики составляются путем часовых или получасовых записей нагрузок по показателям счетчиков энергии. В зависимости от характера производства, вида электроприемников, режима их работы каждая однородная группа потребителей имеет свой индивидуальный график нагрузки.

Системой электроснабжения называется совокупность электроустановок различных уровней напряжения, предназначенных для обеспечения потребителей эл. энергией. В зависимости от размеров города, его промышленного потенциала и перспективы развития системы электроснабжения городов могут быть различными.

Критерием оптимальности принятой системы электроснабжения является минимум приведенных затрат на ее сооружение и последующую эксплуатацию. Обычно плотность электрических нагрузок неравномерно распределяется по территории города, центр города более загружен, чем окраины.

Для обеспечения ресурсосбережения наиболее эффективным направлением является использование бытовых приборов с более высоким КПД. Экономия эл.энергии может быть также получена за счет: 1) применения автоматического отключения осветительных приборов по истечении определенной выдержки времени в местах, не требующих постоянного освещения; 2) введения ночного режима работы установок наружного освещения города; 3) разработки и использования экономичных бытовых светильников; 4) рационального подхода к использованию электроэнергии для освещения квартир.

76. Энергетические ресурсы. В последнее время исследуется ряд альтернативных источников энергии. Наиболее перспективным из них представляется солнечная энергия.

Солнечная энергия. У солнечной энергии два основных преимущества. Во-первых, ее много и она относится к возобновляемым энергоресурсам: длительность существования Солнца оценивается приблизительно в 5 млрд. лет. Во-вторых, ее использование не влечет за собой нежелательных экологических последствий.

Однако использованию солнечной энергии мешает ряд трудностей. Хотя полное количество этой энергии огромно, она неконтролируемо рассеивается. Чтобы получать большие количества энергии, требуются коллекторные поверхности большой площади. Кроме того, возникает проблема нестабильности энергоснабжения: солнце не всегда светит. Необходимы накопители солнечной энергии. Многие виды применения солнечной энергии еще как следует не апробированы, и их экономическая рентабельность не доказана.

Можно указать три основных направления использования солнечной энергии: для отопления и кондиционирования воздуха, для прямого преобразования в эл.энергию посредством солнечных фотоэлектрических преобразователей и для крупномасштабного производства эл.энергии на основе теплового цикла.

Геотермальная энергия. Геотермальная энергия, т.е. теплота недр Земли, уже используется в ряде стран. Земная кора толщиной 32-35 км значительно тоньше лежащего под ней слоя - мантии, простирающейся примерно на 2900 км к горячему жидкому ядру. Мантия является источником богатых газами огненно-жидких пород (магмы), которые извергаются действующими вулканами. Тепло выделяется в основном вследствие радиоактивного распада веществ в земном ядре. Температура и количество этого тепла столь велики, что оно вызывает плавление пород мантии. Горячие породы могут создавать тепловые "мешки" под поверхностью, в контакте с которыми вода нагревается и даже превращается в пар. Поскольку такие "мешки" обычно герметичны, горячая вода и пар часто оказываются под большим давлением, а температура этих сред превышает точку кипения воды на поверхности земли. Наибольшие геотермальные ресурсы сосредоточены в вулканических зонах по границам корковых плит.

Недостатком геотермальной энергии является то, что ее ресурсы локализованы и ограничены, если изыскания не показывают наличия значительных залежей горячей породы или возможности бурения скважин до мантии. Существенного вклада этого ресурса в энергетику можно ожидать только в локальных географических зонах.

Характеристика энергетических ресурсов. Энергоресурсы, в которых сосредоточена первичная энергия, классифицируют по двум признакам: степени использования для практических нужд; по характеру возникновения в природе. По первому признаку различают ЭнР основные и прочие. К основным ЭнР относят те, которые используются в больших количествах для практических нужд: органическое топливо (уголь, нефть, газ, торф и др.); ядерное топливо (уран, торий); вода рек и водоемов. Прочие ЭнР: приливы и отливы морей и океанов; солнце, ветер, геотермии и др.

По признаку возникновения в природе ЭнР делят на возобновляемые и невозобновляемые. Невозобновляемые ЭнР накоплены ранее в природе и в новых геологических условиях не образуются. Это органическое и ядерное топливо. Возобновляемые ЭнР постоянно природой возобновляются, к примеру, вода, ветер, солнце и др. Энергетическое производство имеет пять ступеней: добыча и концентрация, перевозка и передача ЭнР, преобразование на станциях первичной энергии во вторичную, передача и распределение, потребление энергии.

По доле в энергетическом балансе ЭнР распределяются так: газ 25%, уголь 30%, гидроресурсы и ядерное топливо по 5%, прочие – 5%. Из всех органических ЭнР 40% перерабатываются на ЭС, 10% в котельных и 50% потребляются непосредственно в двигателях, промышленных и бытовых печах. Использование вторичной энергии характеризуется такими данными: 79% потребляется в виде тепла, в т.ч. промышленность – 51%, быт и прочие – 28%; 21% преобразуется в механическую энергию, в т. ч. промышленность 6%, транспорт 7%, быт 5% и сельское хозяйство 3%. По странам и континентам потребление ЭнР крайне неравномерное, к примеру, 70% населения потребляют 10% энергии, а остальные 30% соответственно 90%. Основной единицей измерения энергии является Джоуль (Н∙м – ньютоно-метр). Виды энергии имеют свои единицы измерения: электрическая – ватт∙секунда (Вт∙с); киловатт∙час (1 кВт∙ч = 3,6∙106 Вт∙с, 1 Вт∙с = 1 Дж); тепловая – калория (1 ккал ≈ 4,2 Дж); килокалория (103 ккал = 4,2∙103 Дж); механическая - килограмм∙метр (кГс∙м) в практической системе и в СИ - Н∙м и кН∙м. Для сравнения различных видов ЭнР принята единица условного топлива. За такую единицу принят 1 кГс топлива, при сжигании которого выделяется 29,3 МДж энергии (8,14 кВт∙ч, 7∙103 ккал). 1000 таких единиц (29,3∙109 Дж) принято называть тонной условного топлива и обозначать «тут». Далее кратко рассмотрим характеристики ЭнР.

Твердое топливо. Топливо - вещества, основной частью которых является углерод. По агрегатному состоянию различают топливо: твердое – дрова, торф, угли; жидкое – нефть и нефтепродукты; газообразное – горючие газы.

Твердое топливо в своем составе содержит углерод, %: торф – 60, уголь бурый – 70, каменный – 80…90, антрацит – 96. Свойства твердого топлива определяют техническими и энергетическими характеристиками. Технические характеристики: состав горючей массы, влажность, зольность, выход летучих веществ, коксовый остаток. Горючая масса состоит из углерода (С), водорода (H), кислорода (О), серы (S), азота (N). Процент (%) содержания твердых примесей называют зольностью (А), а процент влаги – влажностью (W). Состав топлива по массе в процентах:

C + H + S + O + N + A + W = 100

Зола и влага образуют внешний балласт, снижает энергетическую ценность топлива. Выход летучих веществ и коксовый остаток определяют при нагреве топлива без доступа окислителя. Топливо при этом разлагается на 3 части: газообразная, парообразная и твердый остаток – кокс. Первые две части называют выходом летучих веществ.

Энергетическими характеристиками топлива является теплота сгорания высшая и низшая. Высшая теплота сгорания – количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании единицы массы топлива. Низшая теплота сгорания – не учитывается скрытая теплота парообразования водяных паров. Эффективность топлива оценивается по низшей теплоте сгорания, которая у некоторых видов составляет, МДж/кГс – торф – 8…10, бурый уголь – 6…16, каменный уголь – 21…27.

Жидкое топливо. Сырая нефть как топливо не используется, а подвергается перегонке для извлечения светлых нефтепродуктов. Остаток – мазут используют в энергетических установках. В мазуте 85…88% углерода, 10…12% водорода, 0,6…1,0% кислорода и азота, 0,5…3,5% серы. Теплота сгорания мазута – 42 МДж/кГс.

Газообразное топливо. Газообразное топливо добывается в месторождениях трех типов: газовые, газоконденсатные, нефтяные. Газ газовых месторождений на 90% состоит из метана. Газоконденсатные месторождения – это высшие гомологи, около 5% метана, на поверхности образуют конденсаты, из которого получают газовый бензин и сжиженные газы. Газ нефтяных месторождений получают при нефтедобыче, состоит из этана, пропана, бутана, высших углеродов. По энергетической ценности 1000 м3 газа заменяют примерно 1 т нефти. Газ широко используется в энергетических установках.

Ядерное топливо. В основе энергетических атомных установок – управляемые ядерные реакции деления ядер изотопов урана 233U, 235U. При делении ядра освобождается энергия в 200 МэВ. В реакторах используется два типа реакций деления ядер медленными тепловыми нейтронами; радиационный захват изотопов 238U, 232Th быстрыми нейтронами с энергий в 1 МэВ, продуктами распада последней реакции являются 239Pl и 233U, которые и есть ядерное топливо.

Энергетической характеристикой ядерного топлива является «глубина выгорания» - количество теплоты, которое может быть выделено единицей массы ядерного горючего данного изотопного состава в реакторе в течение суток. Единицей измерения «глубины выгорания» - В, МВт∙сут/кг. Удельный расход ядерного топлива обогащенного урана, к примеру, при глубине выгорания 30 МВт∙сут/кг и обогащении 3,5% - составляет 4,3 г/МВт∙ч.

77. Энергетические станции и котельные установки. Э. станции называются также центральными станциями, генераторными или силовыми станциями и представляют сложные технические сооружения, предназначаемые для производства или выработки Э. энергии для промышленных целей. Э. станций являются главными центрами Э. установок, питая их Э. энергией. которая на них добывается и распределяется в системе установки по абонентам для освещения, электродвижения и различных других целей - применения или пользования Э. энергией. Производство, добывание или "выработка" Э. энергии на Э. станциях достигается процессом превращения механической энергии двигателей-машин в энергию Э. тока при посредстве электромашин: динамо- или альтернаторов.

II. Источниками механической энергии, которая может быть преобразована в энергию Э. тока, могут служить: а) водяной пар под давлением, б) водопады или естественный напор воды, в) ветер, г) вода под давлением, д) сжатый воздух, е) разреженный воздух, ж) газ, з) нефть, керосин, спирт. В кратких чертах преобразование этих источников механической энергии в электрическую заключается в следующих принципах. Пар. В паровых котлах, превращая энергию горючего (топлива), получают водяной пар под давлением. Пар приводит в движение паровые машины, кои непосредственно или при помощи передач ременной или канатной приводят в движение электромашины. При наличности канализации пара в городах паровые котлы могут отсутствовать на Э. станциях, пользующихся паром, уже доставляемым к ним. Водопады, или естественный напор воды. Силой падения воды или ее напором приводятся в действие турбины или водяные колеса, кои и приводят в действие при посредстве различных передач или непосредственно — электромашины. Ветер. В исключительных случаях господства постоянных ветров или частых периодических сильных воздушных течений при посредстве особых ветряных двигателей (ветряков) приводят в действие электромашины, заряжающие обыкновенно аккумуляторные батареи. Вода под давлением. В некоторых городах имеются специальные напорные водопроводы для технических устройств, пользующихся их энергией. При помощи водяных двигателей вращают электромашины и получают Э. энергию. Сжатый воздух. При наличности канализации в городах сжатого воздуха им пользуются при посредстве воздушных машин для вращения электромашин. Разреженный воздух дает возможность также работой воздушных машин приводить в движение электромашины и получать Э. энергию. Газ. При устройстве газовых двигателей можно употреблять или светильный газ, или другие газы, напр. газы доменных печей, "бедный" или водяной газ, и этими моторами приводить в движение электромашины. Жидкие углеводороды служат энергией для нефтяных, керосиновых, бензиновых и других двигателей, являющихся моторными машинами для электромашин. В последнее время в технике двигателей этого рода сделаны огромные успехи. Ввиду значительной экономичности этого рода двигателей они получают сильное распространение. Основной частью Э. станций являются механические двигатели; эти последние, приводя в движение Э. машины, развивают в них Э. энергию, поступающую обыкновенно на особую часть Э. станций — распределительную, или коммутационную, доску, откуда она и распределяется по кабелям или магистралям сети к абонентам, различным приборам потребления или расходования Э. энергии.

III. Предназначенные для разнообразных целей применения электрической энергии и утилизируя различные источники механической силы, Э. станции получают довольно обширную классификацию. Э. станции устраиваются: 1) по назначению: городские — осветительные и трамвайные, частные или домовые — для отдельных зданий, усадеб и проч., заводские и фабричные - главным образом, для передачи силы, крепостные - для оборудования крепостей и их обороны, судовые - для военных судов и коммерческих, учебные - при высших технических и электротехнических школах для практических занятий и обучения. 2) По движущей силе машин: водяные, или гидравлические, паровые, ветряные, газовые, нефте- или керосиномоторные и др. 3) По характеру доставляемой электрической энергии Э. станции устраиваются: постоянного тока, переменного тока, низкого и высокого напряжения. 4) по характеру сооружений — постоянные, временные и подвижные. Как особый класс Э. станций существуют такие, которые движущей силой машин имеют также электрическую энергию, получаемую от другой Э. станции. Такого рода как бы несамостоятельные Э. станции носят название подстанций (Sous-stations, Unterstationen), или "вторичных" станций. Двигателями на подстанциях являются электромоторы. Назначение подстанций — видоизменять характер электрического тока, что может быть вызвано весьма многими обстоятельствами эксплуатации Э. станций.

Классификация. Подавляющее большинство электростанций, будь то гидроэлектростанции, тепловые (АЭС, ТЭС и прочие) или ветроэлектростанции, используют для своей работы энергию вращения вала генератора.

В зависимости от источника энергии (в частности, вида топлива):

Атомные электростанции (АЭС)

Станции реакции деления

Электростанции, работающие на органическом топливе

Газовые электростанции

Электростанции на природном газе

Электростанции на рудничном, болотном газах, биогазе, лэндфилл газе

Жидкотопливные электростанции

Электростанции дизельные

Электростанции бензиновые

Твердотопливные электростанции

Угольные электростанции

Торфяные электростанции

Гидроэлектрические станции (ГЭС)

Русловые гидроэлектростанции

Приплотинные гидроэлектростанции

Деривационные гидроэлектростанции

Гидроаккумулирующие электростанции

Приливные электростанции

Электростанции на морских течениях

Волновые электростанции

Осмотические электростанции (электростанция, использующая для выработки электричества явление осмоса)

Ветроэлектростанции (ВЭС)

Геотермальные электростанции

Солнечные электростанции (СЭС)

Электростанции на солнечных элементах

Гелиостанции (с паровым котлом)

Химические электростанции

В зависимости от типа силовой установки

Электростанции с тепловой установкой (тепловые электростанции (ТЭС) в широком смысле)

Котлотурбинные электростанции

Конденсационные электростанции (КЭС, ГРЭС)

Теплоэлектроцентрали (теплофикационные электростанции)

Газотурбинные электростанции

Мини-ТЭЦ

Газопоршневые электростанции

Электростанции дизельные

Электростанции бензиновые

Электростанции на базе парогазовых установок

Комбинированного цикла

Электростанции с простым машинным генератором

Электростанции с гидротурбиной

Электростанции с ветродвигателем

Электростанции с магнитогидродинамическим генератором

Электростанции на солнечных элементах

Электрохимические электростанции (ЭЭС) на основе топливных элементов

В зависимости от степени применения

Перспективные (пока не применяемые)

Электростанции на биомассе

Экзотические (редко применяемые)

Ветроэлектростанции (ВЭС)

Геотермальные электростанции

Солнечная энергетика

Электростанции на солнечных элементах

Гелиостанции

Электрохимические электростанции (ЭЭС) на основе топливных элементов

Электростанции с магнитогидродинамическим генератором

Электростанции на рудничном, болотном газах, биогазе, лэндфилл газе

Электростанции на морских течениях

Волновые электростанции

Осмотические электростанции.

Широко применяемые

Автономные электростанции

Все остальные

78. Система теплоснабжения хозяйства городов. Одним из видов инженерных систем зданий являются санитарно-технические, включающие в себя отопление, водопровод, канализацию, газоснабжение и т.п.

Отопление (О) - искусственный обогрев помещений с целью возмещения в них тепловых потерь и поддержания на заданном уровне температуры, определяемой условиями теплового комфорта для находящихся в помещении людей или требованиями происходящего в нем технологического процесса. О. бывает местным, когда все его элементы установлены в отапливаемом помещении, и центральным, когда генератор теплоты расположен за пределами отапливаемого помещения и теплоноситель транспортируется к местам потребления по трубопроводам.

По виду теплоносителя отопление бывает водяным, паровым, воздушным. Наиболее широко применяют центральное водяное отопление а), в котором теплоноситель (вода), нагретый в генераторе теплоты (котлы, ТЭЦ) до t - 378...423 К (105...150°С), по подающим теплопроводам 2 тепловой сети поступает к узлу управления 3, где его температура снижается до t - 363...378 К (95...105°С) в результате подмешивания охлажденной воды из обратных теплопроводов. Затем вода по подающим трубопроводам поступает в отопительные приборы Охлажденная вода из приборов собирается сетью обратных трубопроводов и по обратному теплопроводу / тепловой сети возвращается к генератору теплоты для повторного нагрева. Такая схема, когда теплоноситель из тепловой сети поступает в отопительные приборы, называется зависимой.

В зданиях, где давление в системе отопления выше, чем давление в тепловой сети, а также в малоэтажных зданиях, когда давление в обратном трубопроводе больше 0,6 МПа, теплоноситель поступает в водонагреватель б), в котором его теплота используется для нагрева воды в системе отопления здания. При этом теплоноситель и вода в системе отопления здания изолированы друг от друга. Такая схема присоединения системы отопления называется независимой.

По способу циркуляции теплоносителя отопление бывает с искусственной и естественной циркуляцией. В системах с искусственной циркуляцией движение теплоносителя в сети подающих и обратных трубопроводов обеспечивается насосами или элеваторами. В небольших системах используют естественную циркуляцию за счет разности плотностей холодной и горячей воды.

Система О. должна обеспечивать расчетную температуру воздуха в помещениях. Требуемая температура внутреннего воздуха поддерживается подачей теплоты системами О., а также бытовыми тепловыделениями. Суммарное поступление теплоты должно возмещать ее расход через ограждающие конструкции зданий; на нагревание наружного воздуха, поступающего через двери, неплотности в ограждающих конструкциях, в том числе за счет инфильтрации.

Система О. здания должна обеспечивать: равномерное нагревание воздуха помещений в течение отопительного периода; противопожарную безопасность; возможность регулирования.

Критерием качества работы системы отопления зданий служит надежность поддержания расчетных температур воздуха в помещениях в течение всего холодного периода года, что обеспечивается согласованной работой всех служб централизованного теплоснабжения: генераторов теплоты, тепловых сетей, систем отопления здания и другого теплоиспользующего оборудования. Нарушение ритмичной работы в любом звене теплоснабжающей системы приводит к неоправданному увеличению расхода теплоты, перебоям в теплоснабжении как отдельных, так и группы потребителей, понижению условий комфорта для находящихся в помещении людей, а порой и к значительным затратам на аварийно-восстановительные работы. Поэтому повышение надежности и качества отопления — комплексная задача, решение которой требует четкой организации и управления эксплуатацией как теплоснабжающих, так и теплопотребляющих систем в комплексе.