Системы энергоснабжения. Системы и источники энергоснабжения: Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» В. И. Беспалов Кафедра атомных и тепловых электростанций СИСТЕМЫ И ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ Учебное пособие Томск 2009 ПРЕДИСЛОВИЕ Учебный курс «Системы и источники энергоснабжения» ставит задачу получения знаний о системах энергоснабжения как о сложных объектах, обладающими присущими им особенностями и свойствами. Исследователи крупных систем под системами энергоснабжения пони- мают «… комплекс взаимосвязанных систем (от добычи и производства энергетических ресурсов до конечного потребления энергии) состоящих из энергетических объектов, объединенных для обеспечения народного хозяйства всеми видами энергии» . Главной особенностью систем энергоснабжения является высокая вариативность их структуры. Под этим понимается большое количество возможных вариантов со- единения потребителей энергии с источниками. Очевидно, что при од- ном и том же составе потребителей энергии и источников, структура потоков энергии определяет свойства системы, которые характеризуют- ся такими критериями, как экономичность, надежность, экологичность, материалоемкость и т.п. Именно поэтому необходимо совместное рас- смотрение всех элементов системы энергоснабжения (источник энер- гии, потребитель и система транспорта) как в задачах синтеза систем, так и при их анализе. С этой целью в курсе даются общие приемы сис- темного анализа энергетического хозяйства, принципы анализа и синте- за систем энергоснабжения, методы расчета систем и их оптимизации. 1 ВВЕДЕНИЕ За многие годы своего существования человек создал множество нужных и ненужных машин механизмов и всевозможных устройств. Все они, так или иначе, служат для удовлетворения его потребностей. Однако главной, и все возрастающей, является потребность в энергии. Именно она является основой в производстве материальных ценностей. Тепловая энергия, как наиболее распространенный вид энергии в природе, может быть получена человеком из окружающей среды. Для этого оказалось достаточно научиться разжигать костер. А вот для по- лучения механической, а тем более, электрической энергии человеку пришлось много потрудиться. Не смотря на то, что закон сохранения и превращения энергии ус- танавливает эквивалентность всех видов энергии. Детальный анализ возможности преобразования энергии одного вида в другой показывает, что электрическая и механическая энергия полностью и легко переходят в тепловую, а вот тепловая энергия в механическую и электрическую не может быть преобразованы полностью ни при каких условиях (второй закон термодинамики). Не умаляя значения для человека тепловой энер- гии, следует сказать, что значение механической и электрической энер- гии возрастает. В мире создано много устройств, преобразующих тепловую энер- гию в механическую. Они образуют семейство тепловых двигателей. К ним относятся паровые машины и двигатели внутреннего сгорания, па- ровые и газовые турбины, реактивные двигатели и т.д. Если использо- вание механической энергии в основном ограничивается транспортом и различного рода нагнетателями (устройствами, служащими для повы- шения давления жидкости и газа), то электрическая энергия, полученная из механической, может быть использована для самых разных целей. Вот почему одной из главных задач современной энергетики яв- ляется эффективное использование всех природных источников энергии для получения электрической энергии нужного качества и в нужном ко- личестве. 1. Назначение и структура системы энергоснабжения Спад производства электроэнергии, имевший место на тепловых электростанциях в период с 1990г. по 1995г. в последующие три года остановился. В 2005 году производство электроэнергии на ТЭС достиг- ло уровня 1990 года (770 млрд. кВт часов) и сохраняет устойчивую тен- денцию роста. В России уже более 80 лет существует электроэнергети- ческая система, которая объединяет в своем составе большую часть электрических станций в единую сеть, обеспечивающую потребителей 2 электрической энергией. Создание такой системы позволило использо- вать в максимальной степени те генерирующие мощности, на которых тепловая энергия с наибольшей эффективностью преобразовывалась в электрическую. Значение электроэнергетической системы России не уменьшилось (а возможно и выросло) в связи с переходом от социали- стической экономики к рыночной. Наряду с системой электроснабжения существуют и системы снабжения потребителей тепловой энергией. Ее поставляют в виде го- рячей воды на промышленные технологические процессы, а также на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. Значительной части потребителей нужен водяной пар различных параметров. Совокупность источников тепла и трубопроводов, обеспечиваю- щих отпуск потребителям горячей воды и пара, называют системой теп- лоснабжения. Под системой энергоснабжения понимают совокупность источ- ников тепловой и электрической энергии и элементов, обеспечивающих транспорт ее к потребителю. Следует заметить, что система энерго- снабжения это не механическое, а структурно организованное объеди- нение элементов таким образом, что оно приобретает ряд только ему присущих свойств, обладает собственной характеристикой. 1.1. Энергетический комплекс России и направления его развития Энергетический комплекс (ЭК) России является одним из круп- нейших в мире. Достаточно сказать, что Россия входит в пятерку стран, имеющих наибольший запас как не возобновляемых (уголь, нефть, газ), так и возобновляемых (гидроэнергия) энергоресурсов. Энергетический комплекс страны включает в себя источники энергоресурсов, системы их транспорта, а также совокупность потребителей. В связи с тем, что источники энергоресурсов чаще всего не совпадают территориально с потребителями, системы транспорта энергоресурсов играют важней- шую роль. Чем крупнее страна, тем сложнее структура ЭК. Изучению свойств больших систем энергетики и оптимизации их развития значи- тельное внимание уделили такие ученые, как Долежаль Н.А., Мелентьев Л.А., Мельников Н.В., Болотов В.В., Макаров А.А. и другие. Всякая большая система энергетики обладает рядом специфиче- ских свойств , которые проявляются в следующем: 1. Совокупность систем энергетики существует как единое целое, эле- менты которого имеют вещественные связи – трубопроводные, элек- 3 трические, экономические, а также внутренние связи на основе взаи- мозаменяемости продукции систем и отдельных элементов. 2. Универсальность и одновременно большая народно-хозяйственная значимость производимой продукции, жидкого и газообразного топ- лива, а, следовательно, и многочисленных внешних связей. 3. Обслуживание отраслей народного хозяйства и активное влияние на её развитие и размещение производительных сил. 4. Большая размерность и сложность структуры больших систем энер- гетики, которые формируются как единые системы страны. 5. Работа основных систем на совмещенную нагрузку, а поэтому орга- ническое включение потребителей энергии и топлива в структуру систем. 6. Особая важность перспективного проектирования больших систем энергетики как единого целого ввиду неправомочности изолирован- ного выбора производительности и параметров отдельных элементов и связей вне их предполагаемого использования в системе. Не смотря на то, что эти специфические свойства были определе- ны для условий социалистического способа хозяйствования, они оста- ются таковыми и в условиях развивающегося рынка. Энергетический комплекс страны можно представить в виде ие- рархической структуры, подчиненность (зависимость) отдельных уров- ней которой определяется их общностью. Принципиальная схема такой структуры приведена на рисунке 1.1 Приведенная территориальная иерархия формирования больших систем в энергетике характерна для России и других крупных стран. В излагаемом курсе мы ограничимся уровнями промышленного узла и предприятия. Под узлом энергоснабжения будем понимать отдельные промышленные центры, крупные города, развитые промышленные и сельскохозяйственные объединения. Предприятие, как элемент системы энергоснабжения узла, может выступать как производитель отдельных видов энергии и топлив (ис- точник), так и потребитель их. Для анализа функционирования больших систем энергетики ино- гда полезно пользоваться несколько иной иерархической структурой, которая связывает различные виды энергетических ресурсов через энер- гетические установки с энергопотребляющими процессами. Такая принципиальная схема приведена на рисунке 1.2 . 4 ОБЩЕЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СТРАНЫ Страна Система народного хозяйства страны Система Система Система Система Система ядерно-энер- нефте- газо- угле- электро- гетическая снабжения снабжения снабжения снабжения ОБЩЕЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РАЙОНА Система народного хозяйства Район района Система Система Система Система электро- нефте- газо- угле- снабжения снабжения снабжения снабжения СИСТЕМА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ УЗЛА Система народного хозяйства данного территориального Узел комплекса Система Система Система Система электро-и нефте- газо- угле- тепло снабжения снабжения снабжения снабжения Предприятие Электростан- Нефтепомыс- Газовые Шахты, ции,котельные лы, нефтепро- электрические воды, нефте- промыслы и карьеры и тепловые перерерабаты- газопро- сети Вающие воды заводы П отребители П отребител П отребител Потребител пара и горячей и горячей и газа и угля воды воды Энергопотребляющие технологические, транспортные и бытовые процессы Рис. 1.1. Принципиальная схема иерархической структуры реальных больших систем в энер- гетике: –––––––– вертикальные связи; – – – – – горизонтальные связи. 5 Энергопотребляющие процессы Виды расходуемых ресурсов Средне- Высокотемпе- Силовые Энергетические установки Продукты Побочные низкотем- ратурные и и др. (в широком смысле) П ри родн ые переработ- энерго - пературные химические ки топлива ресурсы Установки непосред - ственного потребления топлива Электростанции Котельные Приходная часть баланса Расходная часть баланса Рис. 1.2. Принципиальная схема разделения энергетического хозяйства на энергопотребляющие и энергопроизводящие системы 1.1. Потребители энергоресурсов В качестве потребителей энергоресурсов можно выделить основ- ные две группы: промышленность (включая сельское хозяйство и транспорт) и коммунально-бытовой сектор. В промышленности энергоресурсы используются для различных технологических целей: в огнетехнических установках и промышлен- ных печах в виде твердого, жидкого и газообразного топлива; в техно- логических установках в виде пара и горячей воды; в установках, обес- печивающих работу систем отопления, вентиляции и горячего водо- снабжения. Значительное, а иногда и подавляющее, потребление энер- горесурсов в промышленности происходит в виде электрической энер- гии. В коммунально-бытовом секторе потребление энергоресурсов происходит в виде электроэнергии, топлива и горячей воды для отопле- ния, вентиляции и горячего водоснабжения. Электроэнергия в быту ис- пользуется в основном для работы электрических бытовых приборов, освещения и, реже, для отопления. Следует заметить, что вся электро- энергия, потребленная в быту, в конечном итоге переходит в тепловую энергию в эквивалентном количестве. Несмотря на значительное разнообразие тепловой нагрузки, ее можно разбить на две группы по характеру протекания во времени: се- зонная и круглогодовая. Изменения сезонной нагрузки зависят главным образом от кли- 6 матических условий: температуры наружного воздуха, направления и скорости ветра, солнечного излучения, влажности воздуха и т.п. Основ- ную роль играет наружная температура. Сезонная нагрузка имеет срав- нительно постоянный суточный график и переменный годовой график нагрузки. К сезонной тепловой нагрузке относятся отопление, вентиля- ция, кондиционирование воздуха. Ни один из указанных видов нагрузки не имеет круглогодового характера. Отопление и вентиляция являются зимними тепловыми нагрузками. Для кондиционирования воздуха в летний период требуется искусственный холод. Если этот искусствен- ный холод вырабатывается абсорбционным или эжекционным методом, то ТЭЦ получает дополнительную летнюю тепловую нагрузку, что спо- собствует повышению эффективности теплофикации. К круглогодовой нагрузке относятся технологическая нагрузка и горячее водоснабжение. Исключением являются только некоторые от- расли промышленности, главным образом связанные с переработкой сельскохозяйственного сырья (например, сахарная), работа которых имеет обычно сезонный характер. График технологической нагрузки зависит от профиля производ- ственных предприятий и режима их работы, а график нагрузки горячего водоснабжения – от благоустройства жилых и общественных зданий, состава населения и распорядка его рабочего дня, а также от режима ра- боты коммунальных предприятий – бань, прачечных. Эти нагрузки имеют переменный суточный график. Годовые графики технологиче- ской нагрузки и нагрузки горячего водоснабжения также в определен- ной мере зависят от времени года. Как правило, летние нагрузки ниже зимних вследствие более высокой температуры перерабатываемого сы- рья и водопроводной воды, а также благодаря меньшим теплопотерям теплопроводов и производственных трубопроводов. Потребление энергоресурсов в технологии осуществляется обо- рудованием, которое использует его частично для производства про- дукции и на связанные с этим неизбежные потери. Потери в свою оче- редь могут стать источником энергоресурсов для других технологиче- ских процессов. Эти энергоресурсы принято называть внутренними – ВЭР. 1.4 Источники энергоснабжения. Для энергоснабжения могут использоваться как природные ис- точники, так и созданные человеком. Прекрасными природными источ- никами энергии служат солнце, ветер, энергия воды рек и морей, тепло подземных вод. Человек научился извлекать энергию из твердого, жид- 7 кого и газообразного топлива создав шахты и разрезы по добыче угля, пробурив скважины для добычи нефти и газа. В настоящее время в системах энергоснабжения уровня промыш- ленного района или узла в качестве источников электрической энергии служат атомные и тепловые электрические станции, гидроэлектростан- ции, а также электростанции, использующие нетрадиционные источни- ки – энергию ветра, солнца, геотермальное тепло. В качестве источников тепловой энергии выступают мелкие и крупные промышленные и отопительные котельные, теплоэлектроцен- трали (ТЭЦ), атомные станции теплоснабжения (АСТ), установки, ис- пользующие внутренние энергоресурсы промышленных предприятий. Все большую роль начинают играть и установки, использующие для те- плоснабжения энергию солнца, тепло подземных источников горячей воды, электроэнергию гидроэлектростанций (каскад Вилюйских ГЭС в Якутии-Саха) и другие. 1.5. Системы транспорта энергии. Транспорт энергоресурсов от источников до потребителей осуще- ствляется всеми возможными и экономически целесообразными спосо- бами в конкретных условиях. Твердое топливо (каменный и бурый угли, горючие сланцы) транспортируются в основном железнодорожным, водным и автомобильным транспортом. Для транспортировки жидкого топлива (нефть, мазут) используется в основном трубопроводный транспорт, хотя не теряют значение и услуги автомобильного, железно- дорожного и водного (речного и морского) транспорта. Транспорт электрической энергии осуществляется по линиям электропередач, которые отличаются протяженностью, передаваемой мощностью и напряжением электрического тока. Подробный анализ больших трубопроводных систем страны (то- гда еще СССР) изложен в книге академика Мелентьева Л. А. . Еще в 1982 году он писал, что « Трубопроводные системы всех типов зако- номерно превратились в большие функциональные системы энергети- ки, что иногда недоучитывают и сводят понятие таких систем только к электроэнергетическим и локальным системам теплоснабжения». Кроме того «…за последние 20–30 лет в энергетическом хозяйстве СССР про- изошли крупнейшие качественные изменения. Так, в 1979 г. производ- ство газа, главным образом природного, достигло примерно 405 млрд. м3; фактически уже создана Единая газоснабжающая система страны (ЕГСС); ее задачи несоизмеримо сложнее, чем просто транзитного транспорта газа от отдельных месторождений к изолированным потре- бителям». 8 «Огромный рост добычи (в 1979 г. 585 млн.т), транспортировки, переработки нефти и использования нефтепродуктов привел к образо- ванию Единой нефтеснабжающей системы страны (ЕНСС), превратив- шейся в важнейшее звено энергетического хозяйства СССР». «Системы централизованного теплоснабжения занимают в СССР ведущее место в балансе пара и горячей воды, или, как иногда недоста- точно строго говорят, в «тепловом балансе» страны. Системы газо-, нефте- и централизованного теплоснабжения потеряли узко транспорт- ное значение и превратились в большие системы энергетики. Так, рас- сматриваемые системы все в большей мере подчиняют свое развитие выполнению важнейших системных функций – работе на общий график нагрузки, что определяется совпадением во времени процессов произ- водства, распределения и потребления, а также широкой взаимозаме- няемостью использования в народном хозяйстве различных энергетиче- ских ресурсов и видов энергии. Естественно, что комплекс больших систем энергетики достаточно тесно связан с Единой транспортной сис- темой страны. В нее органически входят системы универсального транспорта (железнодорожного, автомобильного, водного, воздушного); однако их развитие должно непосредственно учитывать функции, вы- полняемые специализированным транспортом, т. е. большими трубо- проводными, а также электроэнергетическими системами. Точно так же развитие общеэнергетической и входящих в нее электроэнергетических и трубопроводных систем не может не учитывать условия развития универсальных транспортных систем». Начиная со второй половины ХХ века во всех промышленно раз- витых странах трубопроводные системы растут быстрыми темпами. Они охватывают важнейшие участки энергетического хозяйства, в ко- торых осуществляются производство, распределение и потребление нефти, нефтепродуктов, природного и искусственного газа, пара, горя- чей воды, сжатого воздуха; к ним примыкают системы передачи и рас- пределения холодной воды. Таким образом, большие трубопроводные системы нефте-, газо- и централизованного теплоснабжения вполне за- кономерно входят наряду с электроэнергетическими системами в обще- энергетическую систему страны. «На развитие трубопроводных систем расходуются большие сред- ства. Они являются крупнейшими потребителями металла и основными потребителями труб. Поэтому оптимальное управление развитием и эксплуатацией трубопроводных систем превратилось в одну из важ- нейших научно-технических и практических задач. Обобщенное пред- ставление о масштабах развития трубопроводных систем в СССР за пе- риод 1950 – 1979 ГГ. дают приближенные цифры табл. 1.1, где для со- 9

Система электроснабжения является важным элементом в функционировании многих сфер: промышленной, сельскохозяйственной, транспортной. В нее входит большое количество составляющих, действие которых направлено на слаженную работу сети.

Ознакомиться с особенностями устройства и проектирования систем можно с помощью интернет-сайтов, специализирующихся на подобной тематике.

Системы электроснабжения

Без системы электроснабжения невозможно функционирование многих отраслей. В их основу входят следующие элементы:

• источники питания;
• сети распределительного вида;
• вспомогательные устройства и конструкции.

Что же касается источников питания, то с помощью этих элементов можно понизить или повысить функционирование электрических подстанций.
Главной особенностью системы является то, что она не включает в себя потребителей. Ее главное предназначение заключается в том, чтобы обеспечить электричеством промышленные и жилые здания.

Специалисты отмечают, что подобные системы имеют некоторые обязанности, которые должны быть соблюдены во время работы. На первом месте находится надежность сети, и затем следуют показатели качества и безопасности.

Системы электроснабжения относятся к сложным функциональным элементам. Без них работа сети и распределение энергии не представляются возможными.

Системы электроснабжения включают в свою основу большое количество функциональных элементов. Сюда относятся:

• источники. В этот пункт включены солнечные батареи, ТЭС, ветрогенераторы;
• элементы передачи энергии. Это могут быть кабельные или воздушные линии, а также электропроводка;
• устройства для преобразования. В эту категорию включены различные конверторы, выпрямители и трансформаторы;
• защитные системы. Сюда включены сооружения, которые помогают избежать перенапряжения и короткого замыкания.

К электроснабжению относятся системы, отвечающие за эксплуатацию. Использование технологических карт, графиков нагрузки и регламентного обслуживания способствуют правильной функциональности.

Не нужно упускать из виду и системы нужд, без которых невозможна регулярная работа электроснабжения. В эту категорию включены системы обогрева, освещения, и вентиляции.

Стоит отметить, что для разных предприятий требуются определенные показатели электроснабжения. Так, для промышленных и транспортных объектов понадобится напряжение примерно 110 или 220 кВ.