Технология энергосбережения

М.Ю. Сибикин, Ю.Д. Сибикин





                ТЕХНОЛОГИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ





УЧЕБНИК



3-е издание, переработанное и дополненное





Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для студентов учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по группе направлений 15.00.00 «Машиностроение»

znamum.com

Москва   fa> о ру м(

2016

ИНФРА-М

УДК 621(075.32)
ББК 31.2я723
      С34


   ФЗ    Издание не подлежит маркировке   
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

     Рецензенты:
        доктор экономических наук, профессор, академик РАЕН, заместитель генерального директора НИЦ «Зарубежсхема» при Минэкономике РФ Н.3. Атаров;
        начальник технического отдела ОАО «Гипротяжмаш» Г.М. Отдель-нов


    Сибикин М.Ю.                                                            
С34 Технология энергосбережения : учебник / М.Ю. Сибикин, Ю.Д. Си-          
    бикин. --- 3-е изд., перераб. и доп. --- М. : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2016. ---
    352 с. : ил. --- (Профессиональное образование).                        
    ISBN 978-5-91134-596-9 (ФОРУМ)                                          
    ISBN 978-5-16-006639-4 (ИНФРА-М, print)                                 
    ISBN 978-5-16-105028-6 (ИНФРА-М, online)                                
    Рассмотрены вопросы энергосбережения в электро- и теплоэнергетике,      
    использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии,       
    ее учета и реализации.                                                  
    Приведены законодательные и нормативные основы энергосбереже-           
    ния, описаны практические способы реализации энергосберегающей          
    политики на промышленных предприятиях, объектах жилищно-комму-          
    нального хозяйства (ЖКХ), транспорта, сельского хозяйства и бюджетных   
    организаций, раскрыты экономические и экологические преимущества        
    внедрения рациональных методов использования топливно-энергетиче-       
    ских ресурсов (ТЭР). Даны рекомендации по дальнейшему улучшению         
    использования ТЭР.                                                      
    Предназначен для студентов технических вузов энергетических и эко-      
    логических специальностей, специалистов бюджетных организаций,          
    ЖКХ, занимающихся вопросами энергосбережения, будет полезен энер-       
    гетикам промышленных предприятий, транспорта, сельского хозяйства,      
    преподавателям и слушателям курсов переподготовки кадров.               

УДК 621(075.32)
ББК 31.2я723






ISBN 978-5-91134-596-9 (ФОРУМ)              © Сибикин М.Ю., Сибикин Ю.Д.,
ISBN 978-5-16-006639-4 (ИНФРА-М, print) 2016
ISBN 978-5-16-105028-6 (ИНФРА-М, online) © «ФОРУМ»: «ИНФРА-М», 2016

            Предисловие









   Стратегическая задача, поставленная Президентом и Правительством России перед обществом и государством, заключается в том, чтобы определить пути более эффективного использования природных энергетических ресурсов как важнейшего национального достояния страны для существенного (к 2015 г. в 2 раза) повышения производимого социально-ориентированного внутреннего валового продукта (ВВП) и качества жизни населения при снижении удельных энергетических и, как следствие, материальных затрат общества на свое развитие.
   Энергоемкость ВВП России в 3,1 раза больше, чем в Евросоюзе, в 2,3 раза — чем в мире в целом. Россия тратит в 6 раз больше энергии на квадратный метр жилья, чем развитые страны.
   Структурная реорганизация экономики России требует от энергетиков решения ряда новых специфических задач, а именно:
   • создание правовой базы для эффективного управления энергетикой;
   • поиск эффективных моделей и алгоритмов, обеспечивающих разработку оптимального баланса мощностей в энергосистемах применительно к новым экономическим условиям, высокой надежности тепло- и электроснабжения, снижения потерь тепловой энергии и электроэнергии в целях создания для их производителей и потребителей одинаково выгодных условий производства, передачи, распределения и потребления;
   • совершенствование финансовой и инвестиционной политики производителей тепловой и электрической энергии;
   • организация управления в условиях новых форм собственности, системы договоров и контрактов между производителем и потребителем электрической и тепловой энергии;
   • разработка политики ценообразования на потребительском рынке электро- и теплоэнергии.

Предисловие

   Учебник предназначен студентам специальностей 10.06; 10.04; 10.02, а также 290.300 и 290.600. Его целью является ознакомление будущих специалистов с путями решения вышеперечисленных и других актуальных задач повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР).
   В программе СД.ДС.03 учебной дисциплины «Технология энергосбережения» заложены государственные требования к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников-энергетиков, единые для всех форм обучения.
   Материал, изложенный в книге, соответствует требованиям программы и содержит все необходимые сведения инженерам-теплотехникам, теплоэнергетикам и энергетикам для творческого решения сложных задач рационального использования и энергосбережения ТЭР.

Авторы

            Введение









   Проблема энергоресурсосбережения является в настоящее время одной из наиболее актуальных для всего народного хозяйства России. Ее необходимо решать в кратчайшие сроки, так как только это позволит повысить эффективность использования топливно-энергетических и материальных ресурсов при производстве широкого спектра промышленной и сельскохозяйственной продукции и снизить энергопотребление создаваемых в РФ машин, промышленных и энергетических объектов.
   Одними из основных потребителей топливных ресурсов в России являются тепло- и электрогенерирующие станции (ТЭЦ, ТЭС, ГРЭС и РТС), ежегодно расходующие 351 млн т условного топлива (у. т.). Состояние парка этих станций не удовлетворяет современным требованиям как по расходу топлива, так и по экологическим показателям — количеству выбрасываемых в окружающую среду вредных оксидов серы, азота и углерода. Необходимость максимально возможного приближения ТЭЦ к городским потребителям тепловой энергии и их размещение в зонах массовой застройки привели к тому, что наряду с автомобильным транспортом они являются основными источниками экологического загрязнения.
   С большими расходами топливных ресурсов связаны промышленные технологические процессы, и в первую очередь — выплавка металлов.
   В связи с решением задачи удвоения ВВП к 2015 г. прогнозируемый рост промышленного производства потребует увеличения внутреннего рынка энергоресурсов: электроэнергии до 1265 млрд кВт • ч; тепловой энергии до 1810 млн Гкал. Это еще более повышает значение энергосбережения, так как существует высокая инерционность и капиталоемкость отраслей топливно-энергетического комплекса (ТЭК) и необходимость сохранения объемов экспорта его продукции. Поэтому одним из приоритетов в деятельности ТЭК является принятие мер по эффек

Введение

тивному использованию ТЭР и создание условий для перевода экономики страны на энергосберегающий путь развития.
   По данным ученых потенциал энергосбережения составляет 30...35 % современного энергопотребления в стране или 350... ...400 млн т у. т. Использование большей части этого потенциала дешевле в несколько раз по сравнению с затратами, необходимыми на добычу и производство конечных энергоносителей.
   Энергосбережение становится одним из эффективных средств решения проблем устойчивого энергоснабжения районов Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока. Первоочередным комплексом мер по частичному снижению затрат федерального бюджета на поддержание северного завоза топлива наряду с модернизацией энергетического оборудования является использование бросовой тепловой энергии дизельных электростанций для дополнительной выработки тепловой энергии. Результаты исследований Минэнерго РФ и Госкомсевера РФ подтверждают возможность замещения в 961 населенном пункте Севера около 2 млн т завозного топлива местными энергоресурсами путем строительства в этих населенных пунктах: ветроэлектростанций суммарной мощностью 102 МВт, малых гидроэлектростанций мощностью 134 МВт, ТЭЦ на древесных отходах и торфе мощностью 190 МВт, геотермальных ТЭС мощностью 200 МВт, установок по переработке углеводородного сырья локальных месторождений мощностью 350 тыс. т в год и ряда других энергоустановок (тепловых насосов, солнечных коллекторов, фотоэлектрических станций).
   В современных условиях энергосбережение в России служит одним из эффективных инструментов решения глобальных экологических проблем. Активная энергосберегающая политика является ключевым звеном, связывающим проблемы экологии и энергетики. Привлечение целевых инвестиций, направленных на реализацию энергоэффективных проектов, может явиться одним из важнейших элементов выполнения обязательств по снижению эмиссии парниковых газов в соответствии с Киотским протоколом, ратифицированным Государственной думой России и подписанным Президентом в ноябре 2004 г. Возможности Киотского протокола позволяют сформировать новые взаимоотношения между производителем энергии и инвестором. Предполагается, что такие гибкие механизмы, как торговля квотами на эмиссию и совместная реализация энергосберегающих проектов приведут не только к снижению общих расходов на проведение

Введение

7

мероприятий по сокращению выбросов, но и к созданию новых экономических инициатив для замены экологически «грязного» топлива и внедрения энергосберегающих технологий, изменяющих структуру производства.
    До 80 % всей потребляемой в стране тепловой энергии приходится на долю систем централизованного теплоснабжения. При этом по комбинированному циклу вырабатывается примерно 30 % всей потребляемой тепловой энергии. Высокий уровень теплофикации в России позволяет экономить на ТЭЦ ежегодно 20 млн т у. т. Однако из-за неудовлетворительного состояния тепловых сетей имеют место большие потери при передаче тепловой энергии. Только в тепловых сетях, подключенных к ТЭЦ, сверхнормативные потери оцениваются в 15...17 млн т у. т. Предполагается, что экономия природного газа за счет реализации энергосберегающих мероприятий при передаче тепловой энергии составит 2...3 млрд м³ в 2010 г. и 7...8 млрд м³ в 2015 г., что равноценно предотвращенному выбросу соответственно 4...6 млн т СО₂ в 2010 г. и 14...16 млн т в 2015 г.
    Большой вклад в решение задач рационального использования ТЭР в России внесли сотрудники Минтопэнерго, РАО «ЕЭС России», института ВНИИКТЭП, фирмы «Энергосбережение», АО «Информэнерго», межотраслевого фонда энергосбережения, журнала «Вестник электроэнергетика» и др. Благодаря их настойчивости и трудам выдающихся отечественных ученых и инженеров: Н. К. Байбакова, А. С. Басина, П. П. Безруких, В. В. Бушуева, С. Н. Ятрова, А. Ф. Дьякова, Б. П. Варнавского, Л. П. Гужновско-го, Л. В. Жилиной, А. Г. Завалко, Д. Г. Закирова, В. М. Зыкова, Ю. Д. Кузнецова, Р. В. Орлова, Е. В. Пашкова, С. И. Помазанова, В. И. Потапова, Н. К. Праведникова, М. М. Пчелина, М. Б. Плу-щевского, А. Ф. Лютенко, С. П. Сушона, Ю. А. Церерина и других проблема энергосбережения сдвинулась с «мертвой точки» и, очевидно, будет позитивно решаться в нашей стране поэтапно до 2030 года.
    Принятый Государственной думой России Федеральный закон № 184 от 15.12.2002 г. о техническом регулировании при реализации окажет позитивное влияние на решение проблемы энергосбережения. Законом предусматривается:
    • применение единых правил установления требований к продукции, процессам производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, выполнению работ или оказанию услуг;

Введение

    • соответствие технического регулирования уровням развития национальной экономики, материально-технической и научной базы;
    • единство правил и методов иследований (испытаний) и измерений при проведении процедур обязательной оценки соответствия;
    • недопустимость ограничения конкуренции при осуществлении аккредитации и сертификации, а также внебюджетного финансирования государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов.

Глава 1


            ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭНЕРГЕТИКИ










1.1. Термины и определения

   В учебных научно-технических и справочных изданиях, а также в нормативных документах, относящихся к энергетике, часто используются общетехнические и специальные термины. Рассмотрим некоторые из терминов, смысловое содержание которых необходимо четко знать читателям настоящей книги.
   Энергетика — область хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы: выработку, преобразование и использование различных видов энергии.
   Теплоэнергетика — отрасль теплотехники, занимающаяся преобразованием тепловой энергии в другие виды энергии (механическую, электрическую).
   Электрическая станция — промышленное предприятие, вырабатывающее электроэнергию и обеспечивающее ее передачу потребителям по электрической сети. На электростанции происходит преобразование энергии какого-либо природного источника в механическую энергию вращения турбины и далее с помощью электрических генераторов — в электроэнергию. В зависимости от того, какой природный источник энергии испоьзуется, выбирается тип электростанции.
   Электростанции подразделяют на гидроэлектрические, тепловые и атомные. На гидроэлектростанциях в электрическую энергию преобразуется механическая энергия водного потока реки — гидравлическая энергия. На тепловых электростанциях в электроэнергию преобразуется теплота, выделяющаяся при сжигании топлива. На атомных электростанциях в электрическую преобразуется тепловая энергия,

Глава 1. Общая характеристика энергетики

выделяющаяся при делении ядер атомов урана, тория и других тяжелых элементов. В настоящее время исследуются возможности более широкого использования тепловой энергии вулканов и гейзеров на геотермических станциях, солнечной энергии — на гелиоэлектростанциях, энергии ветра — на ветроэлектростанциях, энергии приливов и отливов — на приливных электростанциях. Имеются опытные и промышленные установки, использующие энергию этих видов.
    Гидроэлектрическая станция (ГЭС) представляет собой совокупность сооружений, создающих напор воды, подводящих воду к турбинам и отводящих отработавшую воду из здания станции. Различные схемы преобразования энергии воды на ГЭС руслового, приплотинного и деривационного типа приведены в других курсах и здесь не рассматриваются. Принципиальная технологическая схема работы ГЭС представлена на рис. 1.1, а. Она выгодно отличается от схем работы всех других электростанций простотой процессов и надежностью элементов.
    На тепловых электростанциях (ТЭС) энергия, выделяемая при сгорании каменного угля, торфа, сланцев, газа, нефти и топлив других видов, преобразуется в электроэнергию по принципиальной технологической схеме, изображенной на рис. 1.1, б. Добыча, доставка и подготовка топлива к сжиганию в котлоагрегатах — сложные и дорогие процессы. Тепловая энергия, получаемая при сгорании топлива, передается воде для получения в котлоагрегате перегретого пара высоких давления (до 30 МПа) и температуры (до 650 °C).
    Получение, передача к турбине и использование в турбине пара с такими параметрами — сложные процессы. Но все технические вопросы работы ТЭС решены, и тепловые электростанции являются основой современной энергетики. Не устранен главный недостаток ТЭС — низкий КПД. Лишь 30...40 % теплоты, полученной при сгорании топлива, используется полезно. А остальная часть теплоты (70...60 %) отдается охлаждающей воде при конденсации пара и дымовым газам. Эта энергия безвозвратно теряется.
    На рис. 1.1, в приведена принципиальная технологическая схема атомной теплоэлектроцентрали (АТЭЦ), не потребляющей органического топлива и не загрязняющей атмосферу. Для защиты от радиации АТЭЦ построена по трехконтурной схеме, согласно которой передача теплоты из термоядерного реактора в паровую турбину, вырабатывающую электроэнергию, осуществ-