ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА_учебное пособие.pdf 5 семестр

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

_____________________________________________________________________________________________

Ю.Я. ПЕЧЕНЕГОВ

ОБЩАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Учебное пособие

Самара 2005

УДК 658.28 (075.8)

Общая энергетика: Учеб. пособ./ Самар. гос. техн. ун-т; Ю.Я. Печенегов; Самара, 2005.

149с.

Вучебном пособии рассмотрены физические основы производства, распределения и потребления энергии. Представлены проблемы и перспективы развития энергетического хозяйства и его взаимодействия с окружающей средой.

Приведены теоретические основы преобразования тепловой энергии в механическую работу. Рассмотрены способы и закономерности передачи теплоты. Даются сведения по органическому топливу и энергетическим установкам.

Предназначено для студентов специальности 10.04.00 «Электроснабжение промышленных предприятий» при изучении курса «Общая энергетика».

ISBN 5-7964-0754-6.

Ил. 68. Табл.10. Библиогр.: 3 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Самарского государственного технического университета.

Рецензенты:

Кафедра технологии электрофизических методов обработки Технологического института (филиал) Саратовского государственного технического университета, д-р техн. наук, проф. Я.И.Барац; канд. техн. наук, доц. В.Н.Сопляченко

ISBN 5-7964-0754-6	© Ю.Я. Печенегов, 2005
	© Самарский государственный технический
	университет, 2005

2

ВВЕДЕНИЕ

Энергетика - область науки и техники, охватывающая изучение энергетических ресурсов и производство (генерирование), преобразование, передачу, распределение и использование энергии в различных ее формах в народном хозяйстве.

Развитие энергетики является решающим условием, обеспечивающим количественное и качественное развитие всех отраслей народного хозяйства.

Около двух третей всей использованной энергии расходуется на удовлетворение нужд в тепле и на освещение; остальная энергия расходуется в виде механической энергии.

Все энергетические установки можно разделить на четыре группы. Генерирующие - в которых потенциальная энергия энергоресурсов превраща-

ется в тепловую или электрическую (или же в ту и другую) энергию определенных заданных параметров (например, электростанции, промышленные или отопительные котельные и др.).

Преобразующие - в которых совершается превращение генерированной энергии в энергию того же вида, но иных, требуемых параметров (например, электрические трансформаторные подстанции, водоводяные нагревательные установки и т. п.).

Аккумулирующие - преобразующие генерированную или природную энергию в потенциальную с целью ее накапливания и временного «хранения». В ряде случаев аккумулирующие устройства используются для частичного регулирования режимов потребления и производства энергии (например, электрический аккумулятор, газгольдеры для хранения газа, водохранилища гидроэлектростанций и др.).

Потребляющие - в которых полученная энергия превращается в энергию заданного для данного производственного процесса вида и параметра (например, в световую в осветительных установках; в механическую для привода разного назначения машин, станков, механизмов или аппаратов с помощью силовых или электрических двигателей; в тепловую в нагревательных печах; отопительных установках и т. п.).

Все эти звенья сложного комплекса – от энергоресурсов до энергопотребляющих агрегатов, объединенные технологическими связями, - представляют собой в общем виде энергетическое хозяйство и являются предметом изучения курса энергетики.

3

Раздел 1 ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ

Энергетика, или, как часто говорят, топливно-энергетический комплекс, представляет собой одну из основ развития экономики современного общества. Темпы научно-технического прогресса, интенсификация производства, повышение технического уровня и улучшение условий труда в значительной мере определяются состоянием энергетики. Именно поэтому во всех странах мира уделяется большое внимание проблемам развития энергетической базы. Понятие «энергетика» охватывает все многообразие методов получения и практического применения различных видов энергии для промышленных и бытовых нужд. Рост благосостояния стран определяется ростом удельного потребления энергии, которому пропорционален рост удельного валового национального продукта (рис. 1.1).

Без энергии не может быть ни движения, ни производства, ни самой жизни. Вся техника и вся продукция промышленности и сельского хозяйства есть в конечном итоге овеществленная энергия, и затраты последней определяют эффективность всего производства. Поэтому и всевозможные системы управления, кроме всего прочего, преследуют важную цель – экономию энергоресурсов.

Роль энергетики возрастает еще больше в связи с прогрессирующим истощением обычных энергетических ресурсов (нефть, газ, уголь и др.) и с все более заметным, иногда уже необратимым, изменением («загрязнением») окружающей среды, сопровождающим работу энергоустановок. Естественно, что экономное и экологически чистое расходование энергии становится одной из основных задач инженерной деятельности в любой отрасли и по любой специальности.

Р и с.1.1. Зависимость величины валового национального продукта (В.Н.П.), приходящегося на одного человека в год (в дол. США), от потребления энергоресурсов (в килограммах каменного угля на одного человека в год).

Данные ООН и международного банка реконструкции и развития (1968 г.)

Историю энергетики с известной долей условности можно разделить на следующие пять периодов.

Первый период – начало его теряется в глубине тысячелетий, конец V–VII вв. Человек обходился мускульной силой (сначала своей, а потом и животных), теплом Солнца, а позже костра. Источником мускульной силы служила химиче-

4

ская энергия пищи. Энергетические ресурсы не только восстанавливались, но их запасы еще и возрастали. Окружающая среда не подвергалась загрязнению.

Второй период – с V–VII вв. до XVIII в. Помимо указанных выше источников энергии (ИЭ) стали использоваться новые, тоже возобновляющиеся: движение воды в реках и ветер. Часть работы стали выполнять водяные колеса и ветряные крылья. Энергетические ресурсы полностью восстанавливались, окружающая среда оставалась чистой.

Третий период – с XVIII в. до середины XX в. В это время основным источником энергии (ИЭ) в развитых странах становится невозобновляемая химическая энергия органического ископаемого топлива: каменного угля, нефти, природного газа и тому подобное, а основной движущей силой - движущая сила огня, получаемая в тепловых двигателях. Развивается электроэнергетика. Расходуемые энергетические ресурсы уже не восстанавливаются. Происходит все большее загрязнение окружающей среды.

Четвертый период начался в середине XX в. с освоения энергии деления ядер урана. Он закончится полным исчерпанием (или использованием в допустимой, по соображениям глобальной безопасности, степени) ядерного и термоядерного топлива. В этот период будут расходоваться последние запасы не возобновляемых энергетических ресурсов Земли и проблема охраны окружающей среды станет особенно важной.

Пятый период начнется после окончания четвертого (в случае, если не будут открыты и технически освоены новые ИЭ). Человечеству придется жить в состоянии «динамического равновесия», довольствуясь непрерывно возобновляющимися ресурсами: солнечным излучением, движением вод в реках и морях, энергией ветра, теплом недр Земли, химической энергией растений и т. п. Окружающая среда будет полностью восстанавливаться. В соответствии с поступающей энергией придется регламентировать население Земли, оснащенность его бытовой, культурной, престижной и другой энерготехникой.

Мы живем в начале четвертого периода, основными энергетическими проблемами которого являются: воспроизводство ядерного топлива путем деления в реакторах на быстрых нейтронах, техническое освоение контролируемого термоядерного синтеза, более широкое использование возобновляемых и нетрадиционных энергоресурсов, снижение вредного влияния на окружающую среду установок и машин, использующих органическое топливо, повышение энергетической эффективности всех типов энергетических установок и энергопотребляющих устройств.

2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Под энергетическими ресурсами понимаются материальные объекты, часть энергии которых может быть использована человеком для получения нужных ему энергетических эффектов (в основном для получения механической и электрической энергии, а также теплоты). Все энергетические ресурсы можно разделить на

5

два основных вида: возобновляемые, которые природа непрерывно восстанавливает (энергия рек, морей, солнца, ветра и геотермальных вод) и не возобновляемые, ранее накопленные в природе (органическое топливо, урановая руда).

Под энергией в современном научном представлении понимается общая мера различных форм движения материи. Для количественной характеристики качественно различных форм движения материи и соответствующих им взаимодействий условно вводят различные виды энергии: тепловую, механическую, электрическую, ядерную, электромагнитную и др. Различают первичную и вторичную энергии. Первичной называют энергию, непосредственно запасенную в природе (например, энергия топлива, ветра, тепло Земли и др.). Энергия, получаемая после преобразования первичной энергии на специальных установках, называемых энергетическими, считается вторичной (например, энергия электрическая, пара, горячей воды и т. д.).

Получение энергии необходимого вида и снабжение ею потребителей происходит в процессе энергетического производства, в котором можно выделить два этапа: первый-получение и подача энергетических ресурсов к месту их потребления и второй-преобразование первичной энергии во вторичную, ее передача, распределение и использование.

На рис.2.1 приведена принципиальная схема второго этапа энергетического производства, представляющая наибольший интерес для специалистов в области электроэнергетики. Основным источником энергии является топливо (сюда же отнесено и ядерное топливо).

Р и с. 2.1. Принципиальная схема энергетического производства

Почти вся подлежащая использованию его энергия сначала превращается в тепловую энергию. Этот процесс осуществляется в установках непосредственного использования топлива - промышленных и отопительных печах, двигателях и механизмах, бытовых приборах (50%), в котельных (10%), котлах тепловых элек-

6

тростанций и реакторах атомных станций (40 %). Около 2/з полученной тепловой энергии используется без дальнейшего преобразования в другие виды энергии (в промышленных и отопительных печах, двигателях, а также в виде пара, горячей воды и т. п.). Примерно одна четвертая часть полученной тепловой энергии идет на выработку электрической энергии, претерпев предварительное преобразование в механическую энергию в турбинных установках. Менее одной десятой части тепловой энергии используется в форме механической энергии главным образом в двигателях внутреннего сгорания, применяемых на транспорте.

Полученная электрическая энергия, в свою очередь, почти на 60% вновь превращается в механическую энергию, которая используется в силовых агрегатах главным образом для приведения в движение средств электрического транспорта, нагнетателей (компрессоров, насосов, вентиляторов), различного оборудования предприятий. Остальная часть электрической энергии используется на привод светозвуковых, электрохимических, электротермических (высокотемпературных и низкотемпературных) установок. Приблизительно шестая часть электрической энергии вновь превращается в тепловую в различных технических устройствах.

Таким образом, центральной задачей энергетики является получение тепловой энергии и преобразование ее в механическую и электрическую виды энергии. Основой всей энергетики на обозримое будущее остается органическое топливо. В случае экономической целесообразности с учетом решения социальных задач и экологии возможно использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии и ядерного топлива. В настоящее время расходы энергетических ресурсов за счет ядерной энергии и возобновляемых источников не превышают 10% от суммарного производства энергоресурсов.

Внастоящем учебном пособии основное внимание уделяется рассмотрению процессов и принципов работы энергетических установок, в которых химическая энергия органического топлива преобразуется в тепловую, механическую и электрическую энергию. На рис. 2.2. показана условная схема преобразования энергии топлива в электрическую, происходящего на электростанциях. Превращение энергии топлива в тепловую происходит в устройстве 1, называемом котлом, если используется топливо органического происхождения, или реактором при ядерном топливе. Котел (реактор) имеет два контура: в первом при сжигании органического топлива (при распаде ядерного топлива) выделяется тепловая энергия, а во втором эта энергия передается воде, которая превращается в пар. Образовавшийся пар поступает в тепловой двигатель (турбину) 2. Продукты сгорания (распада) топлива, вода и пар в данном случае являются носителями энергии и называются соответственно теплоносителем и рабочим телом.

Вкотле при быстром протекании химических реакций в процессе сжигания топлива образуются продукты сгорания. Знание механизма процесса горения топлива необходимо для составления теплового баланса электростанции и определения эффективности ее работы, а также для выяснения требований жаропрочности, предъявляемых к конструкционным материалам, из которых изготовлен котел. К котлу предъявляется требование максимальной интенсивности передачи энергии

7

от продуктов сгорания к воде или пару при нормальном температурном режиме разделяющих их поверхностей, представляющих собой систему стальных труб. Поэтому для анализа процессов, происходящих в котле, его расчета необходимы знания основ теории распространения и переноса тепловой энергии от теплоносителя к рабочему телу, которые изучаются в разделе науки, называемой теплопередачей.

Р и с. 2.2. Схема преобразования энергии топлива в электрическую энергию

В турбине 2 энергия пара превращается в механическую, которая затем в электрическом генераторе 3 преобразуется в электрическую энергию. Отработавший в турбине 2 пар отдает часть своей энергии в конденсаторе 4 в окружающую среду и возвращается в свое первоначальное состояние - воду, которая вновь направляется в котел. Таким образом, рабочее тело совершает замкнутый тепловой цикл, в котором тепловая энергия, подведенная к воде и пару, частично превращается в работу, а частично теряется бесполезно в окружающую среду. Очевидно, что чем больше подведенной к пару тепловой энергии превращается в работу, тем выше эффективность теплового цикла.

Взаимное превращение тепловой энергии в механическую основано на законах, которые изучаются в науке, называемой термодинамикой. Законы термодинамики устанавливают, каким образом должен быть осуществлен тепловой цикл, чтобы установка была наиболее экономичной.

Таким образом, анализ процессов превращения энергии топлива в механическую работу на валу теплового двигателя требует знания термодинамики и теории теплопередачи, некоторые разделы которых представлены в настоящем пособии.

3. ПОТРЕБНОСТЬ В ЭНЕРГИИ

Потребность в энергии непрерывно возрастает как вследствие роста валового национального продукта, приходящегося на 1 человека населения, так и вследствие роста населения.

Темпы роста потребления энергоресурсов в экономически развитых странах составляют примерно от 6 до 3% в год. Состав топливного баланса за последние 100 лет менялся сначала в сторону увеличения долей нефти, газа и гидроэнергии, а в ближайшие десятилетия может измениться в сторону повышения долей угля и ядерной энергии (табл. 3.1).

8

Таблица 3.1

Рост потребления энергоресурсов в мире, млрд МВт·ч

Наименование				Годы
ресурса
	1860	1900	1920	1940		1960	1970	1980
Уголь	1,14	6,25	10,90	15,30		17,80	18,20	20,5
Нефть	Мало	0,25	1,14	3,66		10,80	24,00	28
Природный газ	-	0,08	0,25	0,98		4,65	11,80	22,5
Гидроэнергия рек	Мало	0,08	0,25	0,58		2,45	4,60	4,9
Ядерная энергия	–	-	-	-		-	0,33	5,5
Прочие	3,42	4,10	4,90	5,72		5,72	5,30	4,90
Всего	4,56	10,76	17,44	26,31		41,42	63,29	85,4
На одного человека, МВт·ч	3,82	6,25	9,75	12,05		13,85	17,40	20

Сравнение данных, приведенных в табл. 3.1, 3.2 и 3.3 показывает, что коэф-

фициент использования энергии (к. и. э.) источников заметно повышается. В некоторых странах этот процесс протекает так интенсивно, что удается, уменьшив

расход энергоресурсов, увеличить потребление полезной энергии в основном за счет повышения эффективности отопления и использования тепла для промыш-

ленных нужд, утилизации бытового мусора, промышленных и сельскохозяйственных отходов, а также за счет повышения КПД генераторов полезной энергии.

Таким образом, имеются большие внутренние резервы повышения энергопотребления без увеличения расходования энергоресурсов. Мировое распреде-

ление потребления органического топлива {уголь, нефть, газ) в настоящее время примерно таково, %:

Тепловые электростанции, включая теплофикацию ……….. 30 – 35 Промышленность, особенно металлургическая, химическая,

машиностроительная и стройматериалов ............………...…	30
Транспорт (автомобильный, железнодорожный, морской),

а также тракторы и другие сельскохозяйственные машины ... 25 – 30

Бытовые нужды .................……………………………………. 5 – 10

Можно видеть, что только примерно 30 % энергоресурсов расходуется на выработку электроэнергии. Поэтому возможности их экономии следует искать и в других направлениях, тем более что на электростанциях эти возможности используются обычно максимально. Следует отметить и заметное отличие в потребностях полезной энергии по хозяйственным секторам (табл. 3.2).

9

									Таблица 3.2
			Мировая потребность в различных видах полезной энергии,
					млрд МВт·ч
	Вид полезной энергии						ГОД
					1952 г.		I975 г.		2000 г.
	Механическая	и	электрическая		1,0(9,8%)		5,0(18,5%)		19,0(23,6%)
	энергия для стационарных устано-
	вок
	Тепло (включая		химическую		8,1 (79,4%)		19,0 (70,4%)		56,0 (66,7%)
	энергию металлургического кокса)
	Механическая	и	электрическая
	энергия для транспорта				1,1(10,8%)		3,0(11,1%)		9,0(10,7%)
	Всего				10,2(100%)		27,0 (100%)		84,0(100%)
	Средний к. и. э.				33,3		37		40
									Таблица 3.3
			Мировая потребность в полезной энергии
			по хозяйственным секторам (округленно),						млрд МВт·ч
	Хозяйственный сектор				1952 г.		1975 г.		2000 г.
	Промышленность			5,8			18		60
	Транспорт			0,8			2,5		8
	Сельское хозяйство			0,3			0,5		1
	Бытовые нужды			3,3			6		15
	Всего			10,2			27		84

С учетом роста потребности в полезной энергии при отсутствии больших войн и кризисов на 4 - 5 % в год запасов угля должно хватить еще на несколько сотен лет, а нефти и газа - на 30 - 40 лет.

Поэтому сейчас предпринимаются меры для перевода тепловых электрических станций (ТЭС) на работу с использованием каменного угля и по строительству и вводу в эксплуатацию атомных электростанций (АЭС). Снабжение же транспорта жидким топливом предполагается обеспечивать в будущем за счет получения жидкого органического горючего из угля или же производства водорода с помощью электроэнергии и тепла ядерных реакторов. Создаются также энергоемкие электроаккумуляторы для транспортных средств.

Другой причиной, обусловливающей необходимость ограничения сжигания органических горючих является их ценность как сырья для химической промышленности.

4.ЭНЕРГЕТИКА И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Внаше время одной из основных проблем становится охрана окружающей

среды.

10