Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лисиенко Ресурсы и факторы управления в енергосбережении 2011

.pdf
Скачиваний:
57
Добавлен:
16.08.2013
Размер:
3.06 Mб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

РЕСУРСЫ И ФАКТОРЫ УПРАВЛЕНИЯ

ВЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИИ

ИЭКОЛОГИИ

Под редакцией В.Г. Лисиенко

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений

Москва 2011

УДК 620193 ББК 31.19 Л63

Ресурсы и факторы управления в энергосбережении и экологии.

Учебное пособие / В.Г. Лисиенко, Я.М. Щелоков, А.В. Лаптева, П.А. Дюгай/ Под ред. В.Г. Лисиенко. – М.: НИЯУ МИФИ, 2011. – 200 с.

Рассмотрены основные проблемы в энергосбережении и экологии в их тесной связи. Приведены основные характеристики применяемых топлив

иэнерготехнологических агрегатов. Рассмотрены математические модели

имодели управления при образовании и эмиссии вредных и парниковых газов и методы оценки экологического ущерба. Приведены модели определения эффективностей (КПД) энерготехнологических процессов и рассмотрены основные факторы управляющих воздействий, в том числе при энергетических и энерготехнологических процессах.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки 220200 «Автоматизация и управление» и 230100 «Информатика и вычислительная техника».

Пособие подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.

Рецензент: Г.М. Дружинин, доктор техн. наук, директор по науке и технике ОАО «ВНИИМТ»

ISBN 978-5-7262-1398-9 © Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2011

Содержание

 

ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................................

5

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ И СВЯЗЬ ПРОБЛЕМ

 

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭКОЛОГИИ

 

1.1. Взаимосвязь энергетических и экологических проблем ................................

6

1.2. Некоторые физические законы и закономерности и принципы

 

энергосбережения .............................................................................................

9

1.3. О мировой практике рыночно-директивных отношений в энергетике.........

14

1.4. Законодательная база ....................................................................................

17

1.5. Загрязнения окружающей среды ...................................................................

21

1.6. Киотский протокол ..........................................................................................

24

Библиографический список к главе 1 ...................................................................

25

Контрольные вопросы к главе 1 ...........................................................................

25

Глава 2. ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ И СТРУКТУРА

 

ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА В МИРЕ И РОССИИ

 

2.1. Цели и приоритеты энергетической стратегии России ...............................

26

2.2. Топливно-энергетические ресурсы ...............................................................

28

2.3. Структура топливно-энергетического комплекса .........................................

31

2.4. Оценка ситуации по добыче и использованию нефти,

 

газа и других источников энергии. Рост энергопотребления ......................

34

2.5. Проблемы и основные факторы развития

 

топливно-энергетического комплекса ...........................................................

47

Библиографический список к главе 2 ...................................................................

51

Контрольные вопросы к главе 2 ...........................................................................

51

Глава 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВ И ПОКАЗАТЕЛИ ТЕПЛОВОЙ

 

РАБОТЫ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ

 

3.1. Теплота сгорания топлив ...............................................................................

52

3.2. Определение расхода окислителя и выхода продуктов сгорания .............

54

3.3. Балансовая температура горения .................................................................

57

3.4. Химический недожог топлива ........................................................................

58

3.5. Тепловая мощность и удельный расход топлива ........................................

59

Библиографический список к главе 3 ...................................................................

61

Контрольные вопросы к главе 3 ...........................................................................

61

Глава 4. ОБЩИЕ, ВРЕДНЫЕ И ПАРНИКОВЫЕ ВЫБРОСЫ В АТМОСФЕРУ

 

4.1. Расчет эмиссии общих, вредных и парниковых выбросов ..........................

62

4.2. Экономический ущерб от вредных выбросов ...............................................

63

4.3. Предельно допустимые концентрации (ПДК)

 

и коэффициент агрессивности вредных веществ ........................................

64

Библиографический список к главе 4 ...................................................................

67

Контрольные вопросы к главе 4 ...........................................................................

67

Глава 5. ПРИМЕРЫ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И УСЛОВИЙ

 

ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ В АТМОСФЕРУ

 

5.1. Методы борьбы с вредными выбросами

 

и роль математических моделей ....................................................................

68

5.2. Примеры математических моделей эмиссии оксидов азота .......................

69

5.3. Основные факторы, определяющие эмиссию оксидов азота,

 

и мероприятия по снижению эмиссии ............................................................

82

5.4. Модельные представления и основные факторы, влияющие

 

на эмиссию оксида углерода ..........................................................................

95

3

Библиографический список к главе 5 .................................................................

105

Контрольные вопросы к главе 5 .........................................................................

106

Глава 6. МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ЭКОНОМИЧЕСКОГО УЩЕРБА

 

ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ,

 

ВТОМ ЧИСЛЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ РИСКА

6.1.Понятие экономического и эколого-экономического ущерба и

экологический риск .......................................................................................

107

6.2. Методики оценки эколого-экономического ущерба и методика риска .....

125

6.3. Медико-инженерная методика оценки риска ..............................................

131

6.4. Алгоритм оценки экономического ущерба от загрязнения окружающей

 

среды с учетом риска для здоровья населения .........................................

135

6.5.Программный модуль сравнительной оценки экономического ущерба от загрязнений окружающей среды

с учетом риска для здоровья населения ....................................................

138

Библиографический список к главе 6 .................................................................

141

Контрольные вопросы к главе 6 .........................................................................

141

Глава 7. ЭФФЕКТИВНОСТЬ (КПД) ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

 

И ИХ РОЛЬ В ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИИ

 

7.1. Структурная схема триадной тепломассообменной системы ..................

142

7.2. Понятие о тепловой эффективности (тепловой КПД) ...............................

144

7.3. Роль регенерации теплоты 1 ........................................................................

146

7.4. Схемы теплообмена .....................................................................................

148

7.5. Теплообменный КПД 1 ..................................................................................

149

7.6. Анализ факторов, влияющих на теплообменный КПД (на примере

 

противотока) ..................................................................................................

151

7.7. Режим тепломассообменного управления (ТМОУ)

 

(режим автогенерации) .................................................................................

154

7.8. Базовая модель управления процессами энергосбережения

 

и снижения эмиссии вредных выбросов .......................................................

158

Библиографический список к главе 7 .................................................................

163

Контрольные вопросы к главе 7 .........................................................................

163

Глава 8. СКВОЗНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

 

И ЭНЕРГО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

 

8.1. Сквозной энерго-экологический анализ (СЭЭА) ........................................

164

8.2. Структурированная методика СЭЭА ...........................................................

167

8.3. Диссипативная методика СЭЭА .................................................................

180

Библиографический список к главе 8 .................................................................

185

Контрольные вопросы к главе 8 ........................................................................

186

Глава 9. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ

 

ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ

 

9.1. Проблемы использования финансовых измерителей ................................

187

9.2. Региональная экономика ..............................................................................

191

Библиографический список к главе 8 .................................................................

195

Контрольные вопросы к главе 8 ........................................................................

196

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...........................................................................................................

197

Список рекомендуемых лабораторных работ ........................................................

199

Библиографический список к рекомендуемым лабораторным

 

работам (методические указания) .......................................................................

199

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие «Ресурсы и факторы управления в энергосбережении

иэкологии» направлено на развитие проблем, связанных с управлением и информатикой в приложении к таким важнейшим аспектам человеческой деятельности как энергосбережение и защита окружающей среды. При этом учитывается специфика направлений подготовки в области информатики и управления, а именно направления 220200 «Автоматизация и управление» и направления 230100 «Информатика и вычислительная техника».

Важнейшей особенностью данного учебного пособия является рассмотрение энергетических проблем энергосбережения в тесной связи с экологическими проблемами защиты окружающей среды. Это положение подкрепляется тем обстоятельством, что наиболее значительная часть вредных и особенно парниковых выбросов связана именно с энергетикой

иэнерготехнологиями.

Взадачу учебного пособия входят:

1.Изучение проблем энергоэффективности и энергосбережения в мире

ив России.

2.Изучение проблем экологии, защиты окружающей среды и эколо-

гии.

3.Рассмотрение основных факторов информатики и управления в энергосбережении.

4.Ознакомление с компьютерными технологиями в энергосбережении

иэкологии, включая интегрированный энергоэкологический анализ, ме- дико-инженерный метод оценки ущерба от вредных выбросов.

5.Представление о технических средствах энергоаудита и экологического мониторинга.

Основной задачей можно считать подготовку к самостоятельному анализу основных методов и средств, применяемых при управлении энерготехнологическими процессами, которые должны приводить к сокращению энергопотерь и вредных выбросов. При этом основным объектом рассмотрения в данном учебном пособии являются энерготехнологии, в которых заложен основной потенциал энергосбережения и которые осуществляют большую часть эмиссии вредных веществ и парниковых газов.

5

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ И СВЯЗЬ ПРОБЛЕМ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭКОЛОГИИ

1.1. Взаимосвязь энергетических и экологических проблем

На современном уровне важной основой рационального технологического использования топлива и других энергетических ресурсов является использование методов, связанных с энергетическим и энергоэкологическим анализом.

В.Г. Лисиенко была разработана теория интегрированного энергетического анализа, которая является обобщением результатов, полученных в теории, касающейся области энерготехнологических процессов.

Предложено развивать данную теорию в дуальной постановке, которая включает в себя: полный (сквозной) энергетический анализ

иэнергоэкологический анализ и тепломассообменный анализ. В рамках энергетического анализа при этом определяется важнейший комплексный показатель производства продукции – его конечная энергоемкость, т.е. полные затраты энергии, включая первичную энергию, производную энергию всех энергоносителей, и скрытую энергию за вычетом используемых вторичных энергоресурсов и энергоемкости используемых побочных продуктов.

Тепломассообменный анализ включает математическую модель процесса и проведение на его основе процедуры математического моделирования, которое в современном представлении можно представить как имитационный энергоаудит. Его основной целью является выбор оптимальных вариантов конструкции или тепловых режимов энерготехнологических агрегатов и определение эффективностей процессов, необходимых для проведения энергетического анализа. Главное назначение теплообменного анализа и имитационного энергоаудита – анализ вариантов конструкции, тепловых

итехнологических режимов работы энерготехнологических объектов с целью выявления резервов энергосбережения, оптимизации режимов и снижения энергоемкости продукции и эмиссии вредных выбросов, решения задач управления (рис. 1.1).

6

Рис. 1.1. Схема интегрированного энергетического анализа в дуальной постановке

Ограниченность ископаемых источников энергии, экономические и экологическое соображения делают энергосберегающую политику одним из главных факторов технического прогресса. Стратегия экономии энергии представляет собой иерархическую систему с несколькими уровнями приоритета по применению:

1)развитие альтернативной энергетики;

2)внедрения безотходных технологий;

3)оптимизации технологического процесса;

4)регенерации теплоты газов;

5)технологической утилизации энергии;

6)утилизации теплоты.

Экологизация технологий – это разработка и внедрение в производство, жилищно-коммунальное хозяйство, повседневную жизнь людей технологий, которые при максимальном получении высокого качества продукции обеспечивают сохранение экологического равновесия в окружающей среде, не допускали загрязнения среды обитания. С другой стороны, Экологизация технологий – экономное расходование сырья и топлива, комплексное использование природных ресурсов, в том числе и энергоресурсов, создание новых технологических систем, обеспечивающих малоотходное и безотходное производство, замкнутые циклы водоворота, утилизацию отходов.

7

Приоритетным направлением в охране природы должны быть разработки новых безотходных технологий, которые не нуждаются в использовании очистных приспособлений. Снижение количества отходов в источнике их образования является одним из инструментов по решению проблем загрязнений.

Согласно основным принципам ресурсо-экологической концепции социально-экономического развития, любое действие, вызывающее снижение потребления ресурсов, в том числе и энергоресурсов, оказывает благоприятное воздействие на состояние окружающей среды.

Согласно критериям модели устойчивого экологически безопасного промышленного развития1 необходима оптимизация использования ресурсов – это, прежде всего, снижение энергопотребления, расхода материалов, выхода отходов и повышение степени их переработки.

Таким образом, вопросы энергосбережения неразрывно связаны с безотходностью и экологичностью производства, кроме того, загрязнение является симптомом неблагополучия в промышленном производстве. Если рассматривать загрязнение как вид издержек, у промышленных предприятий может появиться стимул вкладывать средства в снижение себестоимости товаров путем повышения эффективности производства и тем самым снижения уровней загрязнений и объемов отходов.

Рассмотрим некоторые термины и определения, используемые при решении задач энергосбережения и защиты окружающей среды.

Энергосбережение – это процесс реализации правовых, организационных, научных, производственных, технических, экономических и информационных мер, направленных на эффективное использование энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии.

Энерготехнологии – технологические процессы, в которых существенную роль играет уровень потребления энергетических ресурсов.

1 Есоlоgiсаlly Sustainable Industrial Developement (ESID).

8

Энергосберегающая технология – новый или усовершенство-

ванный технологический процесс, характеризующийся более высоким коэффициентом полезного использования топливно-энерге- тических ресурсов (ТЭР).

Энергоемкость – это показатель, характеризующий количество энергии, затраченной на единицу выпуска продукции или выполненных работ (оказанных услуг), кДж/ед. прод.

Полная энергоемкость продукции – величина расхода энергии и (или) топлива на изготовление продукции, включая расход на добычу, транспортирование, переработку полезных ископаемых и производство сырья, материалов, деталей с учетом коэффициента использования сырья и материалов.

Энергоемкость производства продукции – величина потребле-

ния энергии и (или) топлива на основные и вспомогательные технологические процессы изготовления продукции, выполнение работ, оказание услуг на базе заданной технологической схемы.

При производстве любого вида продукции расходуется ТЭР, и для каждого из видов продукции существует соответствующая энергоемкость технологических процессов их производства.

Энерготехнологические агрегаты – агрегаты, связанные с ис-

пользованием энергетических ресурсов: промышленные или тепловые установки и т.д.

Энергетические агрегаты – агрегаты, связанные с производством энергетических ресурсов: парагенераторы, турбины, газотурбинные двигатели и т.д.

1.2.Некоторые физические законы и закономерности

ипринципы энергосбережения

Рассмотрим ряд физических законов и закономерностей, определяющие в той или иной степени теоретический базис энергоэффективности и энергосбережения.

Первое начало термодинамики является по существу законом сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам:

Q = U + A,

(1.1)

9

где Q – сообщаемое термодинамической системе (например, пару в тепловой машине) количество теплоты; А – совершаемая ею работа; ∆U – изменение её внутренней энергии.

Второе начало термодинамики – закон возрастания энтропии.

Закон возрастания энтропии называют также законом сни-

жения качества энергии, согласно которому мы не можем восстановить или повторно использовать высококачественную энергию для выполнения полезной работы. Будучи раз использованной, сконцентрированная, высококачественная энергия, рассеивается в окружающей среде в виде низкопотенциального тепла. Однако мы можем как-то повлиять на изменение коэффициента полезного действия данного процесса.

Следовательно, с каждой новой энергетической эпохой развития общества человечество обязано не только механически увеличивать потребление энергии, но и сводить к минимуму то количество энтропии, которое производим мы сами.

Третье начало термодинамики (теорема Нернста), устанавли-

вает, что энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменной. Макс Планк дополнил теорему Нернста гипотезой, что энтропия всех тел при абсолютном нуле температуры равна нулю. Из третьего начала термодинамики вытекают важные следствия о свойствах веществ, вблизи абсолютного нуля. Так, обращаются в нуль: удельные теплоемкости при постоянном объеме (Cv) и при постоянном давлении (Ср), термический коэффициент расширения и давления. Отсюда также следует недостижимость абсолютного нуля температуры при конечной последовательности термодинамических процессов.

Закон максимизации энергии: в соперничестве с другими системами выживает (сохраняется) та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное ее количество наиболее эффективным образом. «С этой целью система:

1)создает накопители (хранилища) высококачественной энер-

гии;

2)затрачивает часть накопленной энергии на обеспечение по-

ступления новой энергии;

10