Энергосберегающие технологии в электроэнергетике

Г. П. Корнилов М. М.Лыгин И. Р. Абдулвелеев







ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ


Учебное пособие















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.3
ББК 31.2
     К67

Рецензенты:
            кандидат технических наук, ведущий инженер ЦЭТЛ
            ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат»
А. А. Мурзиков;
кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры автоматизированного электропривода и мехатроники
ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова» В. И.Косматов




     Корнилов, Г. П.

К67 Энергосберегающие технологии в электроэнергетике : учебное пособие / Г. П. Корнилов, М. М. Лыгин, И. Р. Абдулвелеев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 108 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1536-1

           Рассматриваются комплексно-методологические основы энергосбережения при производстве, передаче и преобразовании электрической энергии в различных сферах человеческой деятельности.
           Для студентов направления 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», профиль подготовки «Электроснабжение», для аспирантов направления 13.06.01 «Электро- и теплотехника», направленность «Электрические комплексы и системы», а также для специалистов, занимающихся вопросами повышения энергоэффективности производственных комплексов и ЖКХ.

                                                                    УДК 621.3
                                                                    ББК31.2










ISBN 978-5-9729-1536-1

     © Корнилов Г. П., Лыгин М. М., Абдулвелеев И. Р., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                Оглавление





    Глава 1. Энергосберегающие технологии на тепловых электростанциях.... 5

  1.1. Виды источников тепловой энергии............................5
  1.2. Энергетическое хозяйство предприятия........................9
  1.3. Методология проведения энергетических обследований.........12
  1.4. Меры по повышению энергоэффективности ТЭЦ..................15
  1.5. Вопросы по главе...........................................21
Глава 2. Энергоемкость и потенциал энергосбережения...............22
  2.1. Анализ состояния энергоемкости и потенциала энергосбережения в России........................................................22
  2.2. Показатели энергосбережения................................23
  2.3. Принципы эффективного регулирования энергоемкости..........28
  2.4. Причины повышенной энергоемкости продукции на ТЭЦ..........30
  2.5. Вопросы по главе...........................................33
Глава 3. Использование альтернативных источников энергии с целью энергосбережения..........................................34
  3.1. Ядерная энергия............................................34
  3.2. Солнечная энергия..........................................36
  3.3. Гидроэнергия...............................................40
  3.4. Энергия ветра..............................................43
  3.5. Геотермальная энергия......................................44
  3.6. Энергия приливов и отливов.................................46
  3.7. Основные проблемы альтернативной энергетики................49
  3.8. Вопросы по главе...........................................51
Глава 4. Энергосбережение в жилищно-коммунальном комплексе........52
  4.1. Общие сведения.............................................52
  4.2. Энергосбережение в зданиях и сооружениях...................54
  4.3. Изоляционные характеристики остекления и стеклопакеты......56
  4.4. Тепловая изоляция трубопроводов, зданий и сооружений.......58
  4.5. Повышение эффективности систем отопления...................61
  4.6. Энергосбережение в быту....................................64
  4.7. Основные меры повышения энергоэффективности за рубежом.....66
  4.8. Вопросы по главе...........................................71
Глава 5. Энергосберегающие технологии в электроприводе............72
  5.1. Общие сведения.............................................72
  5.2. Увеличение массы активных материалов.......................73
  5.3. Переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому..76
  5.4. Компенсация реактивной мощности............................77
  5.5. Вопросы по главе...........................................84

3

Глава 6. Светотехника......................................85
6.1. Вопросы по главе......................................92
Глава 7. Правовые нормы....................................93
Библиографический список...................................96
Приложение.................................................99

4

Глава 1





                ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ НА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ




            1.1. Виды источников тепловой энергии


     Важной структурной составляющей расходной части топливно-энергетического баланса является производство тепловой энергии, на которое расходуется более 43 % всего топлива.
     Большая часть тепловой энергии производится на тепловых электрических станциях и в централизованных котельных установках. Доля первых из них в производстве тепловой энергии составляет 36 %, доля вторых - 46 %. Остальная тепловая энергия вырабатывается в автономных источниках теплоты, ядерных, геотермальных, солнечных источниках, а также на установках утилизации теплоты вторичных энергетических ресурсов.
     В структуре энергопотребления промышленности происходят важные изменения. До начала 70-х гг. XX в. в структуре потребления ТЭР в промышленности основную долю составляло первичное топливо прямого использования, а теплопотребление составляло около 25 %. К концу 1990 г. рост теплопотреб-ления в промышленности привел к равенству долей топливо-теплопотребле-ния, составивших в общем энергопотреблении по 42-44 %. К 2030 г. прогнозируется дальнейший рост доли теплопотребления примерно до 50 % при снижении доли топливной составляющей до 30-35 %.
     Существует несколько способов получения электрической и тепловой энергии на тепловых электростанциях. В соответствии с этими способами энергетические установки делятся на несколько основных типов: пиковые водогрейные котлы, паротурбинные и газотурбинные установки; установки парогазового цикла.

     Паротурбинные энергетические установки

     Наиболее распространенным способом выработки электроэнергии является использование внутренней энергии водяного пара высоких параметров [1]. Пар, получаемый в котлах, производит механическую работу, вращая лопатки паровой турбины, связанной в единый блок с электрическим генератором. Энергетическая установка такого типа носит название паротурбинной установки. Вода является рабочим телом установки и движется по замкнутому контуру, т. е. циклически, меняя свое агрегатное состояние - превращается в пар в котле и вновь конденсируется. Термодинамический цикл такой установки носит название цикла Ренкина. Схема простейшей паротурбинной ТЭС изображена нарис. 1.1.


5

Рис. 1.1. Схемапростейшей паротурбинной ТЭС:
К - котел; ПЕ - пароперегреватель; Т-турбина; Г- генератор; Кн - конденсатор; КН-конденсатный насос; ПБ - питательный бак; ПН - питательный насос

     С помощью конденсатного насоса КН вода подается в питательный бак ПБ, в котором находится определенный ее запас, необходимый для устойчивой работы станции. Далее питательным насосом ПП подают воду в котел К, в котором происходит ее испарение. Для того чтобы испарить воду, в котле необходимо сжечь топливо, которым может быть каменный уголь, мазут или природный газ. Также можно использовать и другие виды топлива. Полученный пар дополнительно подогревают в пароперегревателе ПЕ, чтобы повысить его температуру. Пар под давлением направляется в паровую турбину Т и вращает ее, совершая механическую работу. Пар при этом расширяется, а его температура и давление снижаются. Электрический генератор Г превращает механическую энергию вращающейся турбины в электрическую, которая направляется потребителю по электрическим сетям. Далее пар попадает в конденсатор Кн - теплообменный аппарат, по трубкам которого циркулирует холодная вода. В конденсаторе пар охлаждается и конденсируется, снова превращаясь в воду.
     Электрическая станция, на которой работает рассмотренная установка, носит название конденсационном (КЭС), так как весь пар, отработанный в турбине, направляется в конденсатор и теплота конденсации выбрасывается в окружающую среду. Полезную тепловую энергию такая электростанция не вырабатывает. Тепловые станции, вырабатывающие одновременно тепловую и электрическую энергию, называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Процесс комбинированного производства электрической энергии и теплоты, получаемых при использовании для централизованного теплоснабжения пара, отработавшего в турбинах электростанций, называют теплофикацией.
     На ТЭЦ часто используются энергетические установки, включающие в себя паровые теплофикационные турбины, из которых производится один или два промежуточных отбора пара. Теплофикационная турбина состоит из двух частей, находящихся на одном валу. Часть турбины между входом пара и его 6

отбором называется частью высокого давления (ЧВД), а часть между отбором и выходом пара - частью низкого давления (ЧНД). Пар из отборов турбины направляется к потребителям. Другая часть пара, полностью расширившаяся в ЧНД турбины, охлаждается и превращается в воду в конденсаторе. Схема такой установки представлена на рис. 1.2. Кроме того, существуют противода-вленческие турбины, предназначенные для снабжения потребителя тепловой энергией. В данном случае в схеме отсутствуют конденсатор и ЧНД и вся тепловая энергия пара идет на обеспечение тепловой нагрузки.


Рис. 1.2. Схема ТЭЦ с теплофикационными турбинами, имеющими промежуточный отбор пара:
РО - регулирующий орган; ЧВД- часть высокого давления турбины; ЧНД- часть низкого давления турбины; ТП-тепловой потребитель; остальные обозначения те же, что и на рис. 1.1

      Количество пара, которое поступает в отборы, можно регулировать. Это позволяет в широких пределах изменять тепловую нагрузку станции при неизменной электрической нагрузке и, наоборот, изменять электрическую нагрузку при неизменном расходе теплоты, подаваемой потребителям.
      Эффективность работы тепловой электрической станции характеризуется коэффициентом полезного действия. Абсолютный КПД КЭС есть отношение выработанной на электростанции электроэнергии к количеству теплоты, которое затрачено на ее выработку.
      Для характеристики экономичности работы ТЭЦ используются два абсолютных КПД: КПД выработки электрической энергии и КПД выработки теплоты. Они вычисляются, соответственно, как отношения количества выработанной электрической или тепловой энергии к количеству теплоты, затраченной на выработку каждого из видов энергии.
      Электрический КПД паротурбинных электростанций составляет 35-43 %.
      Для оценки эффективности работы ТЭЦ часто используются такие показатели, как удельные расходы топлива на производство электрической и тепловой энергии.


7

     Газотурбинные энергетические установки

     Рабочим телом в газотурбинных энергетических установках (ГТУ) является смесь воздуха и газообразных продуктов сгорания газового или жидкого топлива. Воздух сначала подвергается сжатию и нагреву, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Схемагазотурбиннойустановкипредставленанарис. 1.3.


Рис. 1.3. Принципиальная схемаГТУ:
Км - компрессор; КС - камера сгорания; Г - турбина; Г- генератор; 1 - воздух из окружающей среды; 2 - воздух из компрессора;
3 - газы из камеры сгорания; 4 - газы из турбины

     Основными элементами газотурбинной установки являются компрессор, камера сгорания и турбина с электрическим генератором. Газовая турбина и компрессор находятся на одном валу.
     Воздух из атмосферы поступает в компрессор Км. Сжатый в компрессоре воздух и топливо подаются в камеру сгорания КС, где топливо сжигается, тем самым нагревая воздух. Продукты сгорания с высокой температурой и большим давлением направляются в газовую турбину Т, где приводят ее ротор во вращение. Вырабатываемая при этом механическая энергия частично затрачивается на сжатие воздуха в компрессоре, а частично - на выработку электрической энергии в генераторе Г.Отработанные продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Коэффициент полезного действия газотурбинных установок составляет 30-35 %.
     Теплоту отходящих газов ГТУ можно использовать для выработки тепловой энергии. Газотурбинная установка, на которой одновременно вырабатывается тепловая и электрическая энергия, называется ГТУ-ТЭЦ.


     Парогазовые энергетические установки

     Наиболее эффективными установками для выработки электрической и тепловой энергии на ТЭС являются парогазовые энергетические установки (ПГУ). Установки такого типа включают в себя паротурбинные (ПТУ) и газотурбин-8

ные установки, соединенные между собой. Существует несколько способов объединения ПТУ и ГТУ в единую установку.
     Самыми распространенными и экономичными являются ПГУ с котлом-утилизатором и двумя контурами давления у таких установок. КПД по выработке электрической энергии достигает 55 %. Схема такой установки приведена нарис. 1.4.


Рис. 1.4. СхемаПГУ с котлом-утилизатором: ГТ-газовая турбина; КУ - котел-утилизатор; ПТ - паровая турбина; Кн - конденсатор; Я - насос; остальные обозначения те же, что и на рис. 1.3

     Продукты сгорания из газотурбинной установки поступают в котел-утилизатор, где используются для выработки пара, вращающего ротор паровой турбины. В установках такого типа мощность газотурбинной установки существенно выше мощности паротурбинной установки.
     Другой способ работы ПГУ заключается в том, что продукты сгорания газотурбиной установки направляются в котел, в котором сжигается твердое или жидкое топливо. Такой способ применяется с целью повышения эффективности существующих блоков паротурбинных электростанций в результате их надстройки газовыми турбинами, т. е. расширения электростанции за счет установки предвключенных турбин высоких параметров. КПД установок такого типа составляет 46-48 %. В данном случае паротурбинная установка имеет большую мощность, чем газотурбинная.



            1.2. Энергетическоехозяйство предприятия


     Промышленное производство тесно связано с потреблением значительного количества энергии и энергоносителей различного вида: жидкого, газообразного, твердого топлива; электроэнергии; горячей и холодной воды; пара; сжатого воздуха; кислорода и т. д. Организация эффективного энергообеспечения выполняется системой энергетического хозяйства предприятия, включающая в себя:


9

        1. Экономное расходование и эффективное использование всех видов энергии в процессе производства.
        2. Понижение энергоемкости продукции через повышение энергоэффективности процессов энергопотребления и энергообеспечения.
        3. Бесперебойное обеспечение предприятия всеми необходимыми видами энергии с учетом соблюдения всех требований промышленной безопасности.
        4. Рациональное использование энергетического оборудования, замена изношенного оборудования или его модернизация, обслуживание и ремонты.
     В состав энергетического хозяйства предприятия входят: электрическая и тепловая станция; паросиловой цех; высоковольтные подстанции; цех ремонта электрооборудования; газогенераторная, компрессная, кислородная и водонасосная станции; подстанция инертных газов и кислорода; телефонная станция.
     Энергохозяйство делится на общезаводскую и цеховую части. К общезаводской части относятся генерирующие и преобразовательные установки; общезаводские сети, которые в свою очередь объединяются в цеха: теплосиловой, газовый, электросиловой, электромеханический и слаботочный. Цеховая часть состоит из первичных энергоприемников, распределительных сетей и преобразовательных установок.
     Потребности промышленных предприятий в энергоресурсах обеспечиваются за счет трех источников: собственного производства энергии, централизованного снабжения, использования вторичных энергоресурсов.
     Собственное производство энергии организуется в тех случаях, когда централизованное обеспечение либо технически невозможно, либо нерационально из-за значительной удаленности предприятия от источника централизованного обеспечения (сжатый воздух, насыщенный пар и др.).
     Централизованное снабжение является основным источником снабжения предприятия энергоресурсами: электроэнергией, паром, горячей водой - от районных теплоэлектроцентралей; природным газом - от государственной сети газоснабжения; жидким и твердым топливом - в порядке поставок от предприятий топливодобывающих отраслей.
     На промышленных предприятиях после технологических процессов остается значительное количество вторичных энергоресурсов (ВЭР). Вторичными энергетическими ресурсами являются энергетический потенциал продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, образующихся в технологических агрегатах (установках), которые не могут быть использованы в самом агрегате, но могут частично или полностью использоваться для энергоснабжения других потребителей.
     Показатели, характеризующие работу энергетического хозяйства:
        1. Показатели себестоимости производства энергии.
        2. Удельные нормы расхода энергии и топлива.

10

        3. Показатели производства и распределения энергии (КПД генери-рую-щих установок).
        4. Показатели энергосбережения ресурсов.
     Экономия энергоресурсов в энергетическом хозяйстве предприятия может быть достигнута за счет следующих мероприятий:
        1. Ликвидация или снижение прямых потерь энергии в сетях и местах ее потребления.
        2. Внедрение высокоэкономичных технологических процессов, приборов, оборудования.
        3. Использование рациональных режимов работы технологического и энергетического оборудования, обеспечивающих полное использование мощности электромоторов и трансформаторов, уменьшение холостых расходов энергии.
        4. Использование вторичных энергоресурсов.
        5. Организация четкого планирования, нормирования расхода, учета и контроля потребления энергии.
     Нормирование расхода топлива тепловой и электрической энергии -установление плановой меры их потребления. Основной задачей нормирования является установление технически и экономически обоснованных норм расхода топлива и энергии на отдельные технологические процессы и операции, а также отдельные виды продукции, выпускаемые промышленными предприятиями.
     Нормы подразделяются на дифференцированные и укрупненные. Дифференцированные (удельные) нормы устанавливают расход энергии по отдельным агрегатам, деталям, на выполнение определенных операций. Укрупненные нормы - расход по участку, цеху и предприятию на единицу или условную единицу продукции.
     Принципы технического нормирования:
        1. Нормы должны учитывать современные методы организации производства, обеспечивающие рациональное использование топливноэнергетических ресурсов.
        2. Нормы должны периодически пересматриваться с учетом технического перевооружения производства.
        3. Нормы должны отражать прогрессивный уровень энергопотребления.
        4. Нормы должны учитывать все многообразие внутренних и внешних условий эксплуатации.
     В хозяйстве каждого предприятия должен быть Энергетический паспорт - свод сжатой информации, отражающей достоверный объем потребления энергетических ресурсов, показатели эффективности их использования и возможности их повышения.
     В энергетическом паспорте указывается следующая информация:
        1. Какими приборами учета энергоресурсов оснащено предприятие;
        2. Объем энергетических ресурсов, используемых на предприятии и параметры изменения этих объемов;

11

        3. Расчет показателей энергоэффективности предприятия;
        4. Размеры потерь энергетических ресурсов, переданных предприятием (для тех организаций, которые их передают);
        5. Возможность сбережения энергии, в том числе оценка экономии (если она возможна) энергетических ресурсов, выраженная в натуральной величине;
        6. Список мероприятий, разработанных для осуществления сбережения энергии и увеличения эффективности энергосбережения.
     Для того чтобы оформить энергетический паспорт, организации необходимо заключить договор с аудиторской фирмой о выполнении энергетического обследования.


            1.3. Методология проведения энергетических обследований


     Цель энергетического обследования - оценка эффективности использования организациями топливно-энергетических ресурсов (электрической и тепловой энергии, природного газа, твердого топлива, нефти и продуктов ее переработки), определения возможностей ее повышения и оценка затрат на реализацию энергоэффективных решений.
     Энергоаудит направлен на решение следующих основных задач:
        1. Оценка фактического состояния энергоиспользования на предприятии, выявление причин возникновения и определение значений потерь топливно-энергетических ресурсов.
        2. Разработка плана мероприятий, направленных на снижение потерь топливно-энергетических ресурсов.
        3. Выявление и оценка резервов экономии топлива и энергии.
        4. Определение рациональных размеров энергопотребления в производственных процессах и установках.
        5. Определение требований к организации по совершенствованию учета и контроля расхода энергоносителей.
        6. Получение исходной информации для решения вопросов создания нового оборудования и совершенствования технологических процессов с целью снижения энергетических затрат, оптимизации структуры энергетического баланса предприятия путем выбора оптимальных направлений, способов и размеров использования подведенных и вторичных энергоресурсов.
     По результатам энергетических обследований должна быть выполнена паспортизация предприятия-потребителя энергетических ресурсов и разработан Энергетический паспорт предприятия.
     При энергетическом обследовании должны быть:
        1. Выявлены источники нерационального и расточительного энергопотребления, сделана достоверная оценка экономического эффекта от их устранения.


12