Енергоресурси та їх використання

Курс «Загальна енергетика» складається з наступних модулів:

ñ Енергетичні ресурси та їх використання.

ñ Теплові та атомні електростанції.

ñ Гідроенергетичні установки.

ñ Нетрадиційні і поновлювані джерела енергії. Енергозбереження.

Модуль включає в себе як лекційні, так і практичні заняття.

Для підготовки до практичних занять та заліку можна скористатися наступною літературою:

Основні поняття курсу.

Енергія - єдина скалярная (величина, кожне значення якої може бути виражено одним дійсним числом) кількісна міра руху матерії.

Вона визначається або при зміні фізичної форми руху (наприклад, перехід механічного руху в теплове), або при переміщенні об'єкта (переміщення - одна з форм руху) в просторі і часі.

Споживання енергії - використання людиною (цивілізацією) зовнішніх джерел руху для задоволення тих чи інших потреб.

Енергетичний ресурс - зовнішній носій руху, енергія якого використовується або може бути використана при здійсненні господарської та іншої діяльності, а також вид такого руху (атомна, теплова, механічна, електрична, хімічна енергія і так далі).

Первинна енергія - та, яка може безпосередньо вилучатись з природного середовища (викопного палива, вітру, води, сонця, ядерного палива, внутрішнього тепла Землі).

Вторинна енергія - та, яка виходить людиною для безпосереднього споживання, акумулювання або транспортування шляхом перетворення первинної енергії.

Комерційні джерела енергії - це тверді (кам'яне і буре вугілля, торф, горючі сланці, бітумінозні піски), рідкі (нафта і газовий конденсат), газоподібні (природний газ, сланцевий газ) є екологічно безпечними і електроенергія, вироблена на гідроелектростанціях, атомних, вітрових, геотермальних, сонячних, приливних і хвильових електростанціях.

Некомерційні джерела енергії - деревне паливо, сільськогосподарські і промислові відходи, м'язова сила робочої худоби і власне людини.

Ресурси органічного палива - запаси палива, що містяться в земній корі, що мають (в даний час або в доступній для огляду перспективі) економічне значення.

Доведені (або розвідані) ресурси - запаси, точно виміряні геологічними і технічними методами.

Видобувні (а також додатково витягають) ресурси - запаси, чиї промислові розробки можливі при існуючих (або очікуваних) техніко-економічних умовах.

Енергетична ефективність (ФЗ №261) - характеристики, що відображають ставлення корисного ефекту від використання енергетичних ресурсів до витрат енергетичних ресурсів, виробленим з метою отримання такого ефекту, стосовно продукції, технологічним процесом, юридичній особі, індивідуальному підприємцю.

Енергозбереження (ФЗ №261) - реалізація організаційних, правових, технічних, технологічних, економічних та інших заходів, спрямованих на зменшення обсягу використовуваних енергетичних ресурсів при збереженні відповідного корисного ефекту від їх використання (в тому числі обсягу виробленої продукції, виконаних робіт, наданих послуг) .

Енергетичне обстеження (ФЗ №261) - збір і обробка інформації про використання енергетичних ресурсів з метою отримання достовірної інформації про обсяг використовуваних енергетичних ресурсів, про показники енергетичної ефективності, виявлення можливостей енергозбереження та підвищення енергетичної ефективності з відображенням отриманих результатів в енергетичному паспорті. \

Далі розглянемо одиниці виміру енергії і потужності та зв'язок між ними.

Одиниці виміру енергії:

1 гігакалорію (Гкал),

1 кіловат-годину (кВт · год),

1 тонна умовного палива (т у.п.),

1 тонна нафтового еквівалента (т н.е.). Зв'язок між одиницями вимірювання:

1 Гкал = 4,187 ГДж = 1163 кВт · год;

1 кВт · год = 3600 кДж;

1 т у.п. = 29,3 ГДж = 7 Гкал;

1 т н.е. = 41,87 ГДж = 10 Гкал.

Також деякі види палива вимірюються в одиницях маси або об'єму, енергетичний еквівалент яких не є постійною величиною.

Це 1 барель нафти, 1 кубометр природного або іншого газу, 1 літр бензину або дизпалива, 1 тонна мазуту, 1 тонна вугілля, 1 кубометр дров або відходів лісопереробки і т.д.

Енергетичний запас таких видів палива перераховується в основні одиниці виміру, з урахуванням теплоти згорання палива.

Одиниці виміру потужності:

1 кінська сила (к.с.),

1 гігакалорія в годину (Гкал / год).

Співвідношення між цими величинами:

1 Гкал / год = 1163 кВт = 1,163 МВт.

Оцінити запасів джерел первинної енергії досить складно через різної оцінки економічної доцільності вилучення їх з надр Землі і вод Світового океану. Надійним критерієм доцільності вилучення може бути тільки ставлення енергоємності витягується джерела енергії до кількості енергії, що витрачається, яке повинно бути більше одиниці.

Як видно найбільшим потенціалом володіє термоядерна енергія, т. Е. Енергія отримується в ході реакції керованого термоядерного синтезу (дейтерій + тритій (H 2 + H 3)). Однак, впровадження станцій використовуваних даний вид енергії на даний момент малоймовірно.

Далі розглянемо класифікацію джерел енергії.

Вони бувають традиційними (вугілля, горючі сланці, нафта, природний і попутний газ, деревина, гідроенергія, АЕС на теплових нейтронах) і нетрадиційними, які в свою чергу діляться на:

ñПаливні невідновлювані (сланцевий газ, вугільний метан, бітумінозні піски, газогідрати).

ñНепаливні невідновлювані (АЕС на швидких нейтронах, газоохолоджувальні реактори, ресурси термоядерної енергетики).

ñВідновлювальні (сонце, енергія вітру, геотермальна енергія, теплова енергія грунту, природної води, теплових стоків, нетрадиційна гідроенергія, в тому числі припливів, хвиль, океанських течій, мікроГЕС).

Розглянемо докладніше самий «популярний» на даний момент первинний енергоресурс - органічне паливо.

Для початку - ряд визначень.

Питомою теплотою згоряння (або теплотворною здатністю) палива називається кількість теплоти одиниці маси або обсягу палива, що виділилася при повному його згоранні. Теплоту згоряння зазвичай визначають на робочу (для газу - також і на суху) масу палива.

Для твердого та рідкого палива питому теплоту визначають на 1 кг палива, а для газоподібного - на 1 кубометр, взятий при нормальних фізичних умовах (0 ° С, 760 мм рт. Ст.)

Вищої теплотою згоряння називають теплоту, що виділяється при повному згорянні палива.

Нижчою теплотою згоряння називають теплоту, що виділяється при повному згорянні палива, за вирахуванням теплоти, витраченої на випаровування вологи, що міститься в паливі, а також вологи, що утворюється в результаті окислення водню палива

ККД тепловикористовуючих установок прийнято визначати як відношення корисно використаної теплоти до теплоти, що виділилася при згорянні, за вирахуванням теплоти, яку можна було б отримати при конденсації водяної пари, що знаходяться у вихідних газах, тобто по відношенню до нижчої теплоти згорання. Якщо водяна пара з відхідних газів вдається скондесувати, то ККД, визначений за нижчої теплоти згорання, може бути більше одиниці (або 100%).

До твердому паливу відносяться: антрацит, кам'яне і буре вугілля, торф, дрова, сланці, відходи лісопильних заводів і деревообробному цехів. Тверді палива використовуються в основному на ТЕС для отримання електричної енергії, для опалення і технологічних потреб промисловості. У таблиці представлені характеристики твердих палив.

Як ми бачимо, більшою теплотою згоряння мають антрацит і кам'яне вугілля.

До рідкого палива відносять нафту і різні продукти її переробки: бензин, гас, різноманітні масла і залишковий продукт нафтопереробки - мазут. До 70% і більше рідких палив використовується на транспорті, близько 30% спалюється на станціях у вигляді мазуту.

Мазут - це в основному суміш важких вуглеводнів, залишковий продукт перегонки нафти, що залишається після відділення бензину, гасу та інших легких фракцій. Мазут спалюють в топках енергетичних котлів газомазутних енергоблоків в періоди нестачі газу (наприклад, при сильних тривалих холодах і тимчасової нестачі природного газу, заготовленого в підземних сховищах). Часто його використовують для «підсвічування» - добавки до спалює твердому паливу при деяких режимах роботи для забезпечення стійкого горіння. Спалювати мазут постійно сьогодні нерентабельно через велику його вартості в порівнянні і з газом, і з твердими паливами.

Мазут - досить в'язке паливо, і тому перед подачею його до форсунок котла його розігрівають до 100-120 ° С і розпилюють в топці за допомогою парових форсунок. Мазут діляться на малосірчисті (до 0,5% сірки) і високосірчисті (2-3,5% сірки). При спалюванні утворюються оксиди потрапляють в атмосферу.

Сиру нафту як паливо в котельнях не застосовують.

Газоподібне паливо існує в декількох формах: природний газ; попутний газ, що отримується з надр землі при видобутку нафти; доменний і коксовий гази, одержувані при металургійному виробництві. На ТЕСУкаіни переважно використовується природний газ (понад 60% в паливному балансеУкаіни і 70-80% в її європейській частині). Природний газ в основному складається з метану СН4, який при правильній організації процесу горіння спалюється повністю, перетворюючись в воду і двоокис вуглецю.

Головна перевага природного газу полягає в його відносній екологічної безпеки: при його спалюванні, не виникає шкідливих викидів, якщо не брати до уваги утворення отруйних оксидів азоту, з якими можна боротися відповідною організацією процесу горіння. Тому його використовують для котелень і ТЕЦ великих міст. Додаткова перевага - легкість транспортування по газопроводах за допомогою газових компресорів, що встановлюються на газоперекачувальних станціях. Організація спалювання природного газу на електростанціях також порівняно проста: перед подачею в топки котлів ТЕС необхідно знизити його тиск до 0,2-0,3 МПа (2-3 ат) в газорозподільному пункті ТЕС або, навпаки, якщо тиск в газовій магістралі недостатньо, підвищити його тиск до 2-2,5 МПа (20-25 ат) за допомогою газових компресорів, якщо газ подається в камери згоряння ГТУ.

З твердого палива на природний газ було переведено багато ТЕС, особливо в європейській частіУкаіни. Підставою до того було те, що Україна має 35% світових запасів газу. Однак «газова пауза» закінчилася, не розпочавшись, і сьогодні йдеться про зворотне перекладі ТЕС з природного газу на тверде паливо та про заміщення вироблення електроенергії на газомазутних ТЕС виробленням на АЕС.