Общая Энергетика - Учебное Пособие [2009]. В. П. Казанцев Общая энергетика
 Скачать 7.69 Mb.
|
4.6. Природоохранные проблемы гидроэнергетикии их учет при проектировании ГЭС ……………….. 1825. Нетрадиционные источники энергии и их использование ……………………………….. 195 5.1. Состояние и перспективы нетрадиционной энергетики …………………………………………... 195 5.2. Энергия ветра и ветроэлектрические станции.. 198 5.2.1. Ветроэнергетические установки …………….. 201 5.2.2. Основные проблемы и перспективы ветроэнергетики ……………………………………... 208 5.3. Энергия Земли и геотермальные электростанции …………………………………….... 211 5.4. Энергия Мирового океана и ее использование. 220 5.4.1. Гидротермальные электростанции …………... 220 5.4.2. Волновые электростанции ………………….,... 223 5.4.3. Приливные электростанции ………….............. 225 5.4.4. Электростанции морских течений …………... 227 5.5. Энергия Солнца и солнечные электростанции.. 229 5.6. Водородная энергетика ………………………… 236 5.7. Вторичные энергоресурсы ……………………... 239 5.8. Биомасса как возобновляемый источник энергии ……………………………………………….. 242 ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………... 251 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………… 254 ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ АКЭС – атомная конденсационная электростанция; АСКУЭ – автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии; АТЭЦ – атомная теплоэлектроцентраль; ВЛ – воздушная линия (электропередачи); ВолЭС – волновая энергетическая станция; ГиТЭС – гидротермальная электростанция; ГАЭС – гидравлическая аккумулирующая электростанция; ГВС – горячее водоснабжение; ГПП – главная понизительная подстанция; ГеоЭС – геотермальная электростанция; ГЭС – гидравлическая электростанция; ГРЭС – государственная районная электростанция; ЕЭС – единая энергосистема; КЛ – кабельная линия (электропередачи); КЭС – конденсационная электростанция; ЛЭП – линия электропередачи; ОЭС – объединенная энергосистема; ПЭС – приливная электростанция; РЗАиТ – релейная защита, автоматика и телемеханика; РП – распределительный пункт (подстанция); РЭС – районная энергосистема; СКЭС – солнечная космическая электростанция; СЭС – солнечная электростанция; ТВЭЛ – тепловыделяющий элемент; ТП – трансформаторная подстанция; ТЭК – топливно–энергетический комплекс; ТЭС – тепловая электростанция; ТЭЦ – теплофикационная электроцентраль (теплоэлектроцентраль); ФОРЭМ – фондовый оптовый рынок энергии и мощности; НОРЭМ – новый фондовый оптовый рынок энергии и мощности; ЭС – электростанция; ЭСМТ – электростанция морских течений. ВВЕДЕНИЕ Научно–технический прогресс немыслим без развития энергетики и электрификации производств. Для повышения производительности труда первостепенное значение имеет автоматизация производственных процессов, базирующаяся, прежде всего, на применении электрической энергии. Основными потребителями электроэнергии в производстве продукции являются электрические машины, мощность которых варьируется от единиц ватт до десятков мегаватт, причем рост планетарного населения, с одной стороны, и рост материальных потребностей, с другой, неизбежно ведут к наращиванию потребляемой электроэнергии с каждым годом. Для производства электрической энергии применяются различные электростанции, базирующиеся на сжигании природных энергетических ресурсов. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газа и др.) не бесконечны. Ограничены запасы и ядерного топлива – урана и тория, из которого с помощью реакторов можно получать плутоний. Поэтому на сегодняшний день важно не только развивать добычу экономически выгодных источников энергии, но и рационально использовать имеющиеся природные ресурсы для производства электроэнергии без существенного ущерба окружающей среде. Отсюда – большой комплекс проблем технико–экономического, экологического и социального характера в области энергетики. Учебная дисциплина “Общая энергетика” рассматривает общие вопросы формирования и функционирования топливно–энергетического комплекса (ТЭК) страны, основу которого составляют районные энергетические системы (РЭС), объединенные в единую энергетическую систему (ЕЭС) России. Энергетическая система представляет собой совокупность электрических станций, электрических и тепловых сетей и узлов потребления, объединенных процессом производства, передачи и распределения электроэнергии и тепловой энергии по потребителям. Электроэнергетика – ведущая часть энергетики, обеспечивающая электрификацию страны на основе рационального производства и распределения электрической энергии. Электроэнергетика имеет важнейшее значение в хозяйстве любой страны, что объясняется такими преимуществами электрической энергии перед энергией других видов, как относительная легкость передачи ее на большие расстояния, распределения между потребителями, а также преобразования в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую, световую и др.). В силу специфики своего производства электроэнергетика занимает особое положение. В электроэнергетике химическая энергия, запасенная в топливе, энергия падения воды, солнечная, ветровая и другие виды энергии проходят путь последовательного преобразования в тепловую, механическую и, наконец, в электрическую энергию. В основе такого преобразования лежат термодинамические циклы тепловых двигателей. Промежуточным продуктом в этом процессе преобразования энергии, получившим широкое потребительское значение, является тепловая энергия. Важнейшими вопросами энергетики и электроэнергетики, нашедшими отражение в учебных дисциплинах специальности, являются:
1. Общие вопросы энергетики 1.1. Энергетические ресурсы земли и их использование Уровень материальной, и, в конечном счете, духовной культуры людей находится в прямой зависимости от количества энергии, имеющейся в их распоряжении. Самоограничение в использовании энергии тепла и электроэнергии входит в противоречие с естественным желанием человека жить комфортно в современном цивилизованном обществе. При этом население земли и потребности людей непрерывно растут. Структура мирового энергохозяйства к сегодняшнему дню такова, что практически 80% произведенной энергии на земле производится путем сжигания органического топлива. При этом попытки решить энергетические проблемы сегодняшнего дня увеличением числа тепловых электростанций обречены на провал в силу целого ряда причин, обусловленных как ограниченными ресурсами традиционных органических топлив и, как следствие, неизбежным ростом цен на них, так и возросшими требованиями к защите окружающей среды. Отсюда – стремление ведущих промышленных стран, обеспечивающих оптимизацию внутреннего энергетического баланса, выработать национальные энергетические программы. При этом со стороны наиболее развитых в экономическом плане стран неизбежно стремление контролировать мировые энергоресурсы – их добычу и распределение. Сама по себе энергия представляет собой не что иное, как способность совершать ту или иную работу. Огромное количество энергии содержится в ископаемом топливе, деревьях, растениях, воздухе, воде, солнце, в самих людях и животных, однако процесс преобразования ее в полезную работу может быть как технически, так и экономически малоэффективным. При этом среди источников энергии различают возобновляемые и невозобновляемые природой, традиционные и нетрадиционные. К возобновляемым источникам энергии условно относят источники энергии, которые в обозримом будущем, исчисляемым тысячелетиями, неиссякнут. Такими источниками энергии являются: энергия рек, морей и океанов, солнечная, ветровая, геотермальная энергия, биоэнергия и др. Невозобновляемые источники энергии– источники энергии, которые после преобразования их в иной вид энергии теряют возможность последующего использования. К таким источникам энергии относят ископаемые органические виды топлив (торф, уголь, горючие сланцы, нефть и продукты ее переработки, природный и искусственный газ, ядерное топливо и др.). Традиционные источники энергии – источники энергии, которые используются для выработки электрической и тепловой энергии в традиционных энергетических установках – котельных установках, тепловых, атомных и гидравлических электростанциях. К таким источникам энергии относят торф, уголь, газ, мазут, ядерное топливо, а также возобновляемый природой источник энергии – гидравлическая энергия рек. Нетрадиционные источники энергии – источники энергии, которые не являются общепринятыми для выработки электрической и тепловой энергии в традиционных энергетических установках. К таким источникам энергии относят энергию ветра, солнца, земли, морей и океанов и др. Нетрадиционной энергетикой являются также водородная энергетика, биоэнергетика, энергетика вторичных ресурсов. Потребление энергии – важный показатель жизненного уровня. К настоящему времени в России и европейских странах производство электроэнергии на душу населения достигло в среднем 6–7 тысяч кВт∙ч, а в США и Канаде – вдвое больше. При этом наблюдается ежегодный рост удельного энергопотребления в развитых странах. Учитывая результаты прогнозов по запасам нефти и природного газа, которых хватит на 50–70 лет, и запасов угля, которых хватит на 600–1000 лет, можно считать, что на данном этапе развития науки и техники тепловые электростанции будут еще долгое время преобладать над остальными нетрадиционными источниками энергии. Из мировых запасов нефти, объем которых оценивают в 2 триллиона баррелей, около 900 миллиардов уже использовано. Поскольку уже началось существенное удорожание нефти и природного газа, следует ожидать, что тепловые электростанции, работающие на мазуте и газе, к концу XXI века будут вытеснены станциями на угле. Пока же наблюдается сокращение добычи угля, что связано не столько с относительно низкой его калорийностью, сколько с проблемами добычи и транспортировки, а также ухудшения экологии за счет вредных выбросов в атмосферу при сжигании этого топлива в котельных установках. На этом фоне экологически чистыми и практически неисчерпаемыми в обозримом будущем являются речные гидроресурсы, однако в Западной Европе они уже в значительной мере задействованы и возможности строительства новых гидроэлектростанций весьма проблематичны, поскольку создание гидростатического напора на равнинных реках приведет к неизбежному затоплению значительных территорий. Кроме того сооружение ГЭС сопряжено со значительными капитальными затратами и, соответственно, длительными сроками окупаемости. Вместе с тем неиспользованных запасов гидроэнергии в ряде регионов планеты, в частности в Сибири, вполне достаточно, чтобы гидроресурсы рассматривать как традиционную альтернативу использованию органических невозобновляемых ресурсов. Что касается запасов ядерного топлива, то по прогнозам специалистов его запасов хватит не менее чем на 1000 лет при условии интенсивного развития реакторов–размножителей. Запасы урана и тория, если их сравнивать с запасами угля, не столь уж и велики, однако на единицу веса они содержат в себе энергии в миллионы раз больше, чем уголь. Из 1 кг урана можно получить столько же теплоты, сколько при сжигании примерно 3000 т каменного угля. Некоторые ученые и экологи в конце 1990–х годов говорили о скором запрещении государствами Западной Европы атомных электростанций, но, исходя из современных анализов сырьевого рынка и потребностей общества в электроэнергии, эти утверждения выглядят неуместными. Учитывая естественное истощение ископаемых топлив, все больше говорят о необходимости в XXI веке начала нового этапа развития земной энергетики, характеризуемого «щадящим» использованием невозобновляемых энергоресурсов. При этом необходимо учитывать, что нефть и газ нужны не только энергетике, но и химии, и транспорту, и сельскому хозяйству. Несомненно, что в будущем параллельно с линией интенсивного развития энергетики получит развитие и линия экстенсивного развития, характеризующаяся рассредоточением по центрам потребления экологически чистых источников энергии не слишком большой мощности, но с высоким КПД, удобных и надежных в эксплуатации. Яркий пример тому – интенсивное развитие нетрадиционной энергетики, в частности электрохимической и водородной, солнечной и ветровой энергетики, геотермальной и малой гидроэнергетики и др. Более подробно вопросы нетрадиционной энергетики рассмотрены в главе 5. 1.2. Топливно–энергетический комплекс России Энергетика является важнейшей сферой экономики, охватывающей добычу энергоресурсов, производство, преобразование, транспортировку и использование различных видов энергии потребителями. В современном представлении перечисленная совокупность процессов может эффективно функционировать лишь при ее организации по принципу «большой системы», в качестве которой выступает топливно–энергетический комплекс (ТЭК) России. По территориальному признаку ТЭК делится на три иерархических уровня: государственный, региональный и районный. Система ТЭК включает в себя следующие основные подсистемы: 1) топливоснабжающие системы (добычи, транспортировки и переработки нефти, газа, угля и иных невозобновляемых природных энергоресурсов); 2) системы электро– и теплоснабжения, базирующиеся на использовании невозобновляемых источников энергии на тепловых электростанциях (ТЭС); 3) система ядерной энергетики, базирующаяся на добыче, переработке ядерного топлива и преобразовании энергии деления ядер в тепловую энергию в ядерных реакторах на атомных электростанциях (АЭС). Система гидроэнергетики формально в состав ТЭК не входит, так как базируется на использовании возобновляемых природой гидроресурсов. К основным топливоснабжающим системам ТЭК относят углеснабжающую, нефтеснабжающую и газоснабжающую системы. Углеснабжающая система России занимает одно из первых мест в мире по добыче угля. Наиболее крупные угольные бассейны – Канско–Ачинский и Кузнецкий – расположены в азиатском регионе страны на значительном удалении от промышленных зон европейской части, что затрудняет рациональное использование этих источников энергоресурсов тепловыми ЭС, размещенными на западе России. Нефтеснабжающая система объединяет нефтепромыслы европейской и азиатской части России, магистральные трубопроводы и насосные станции для перекачки нефти к местам ее переработки, а также включает нефтеперерабатывающие заводы и хранилища нефтепродуктов. Мазут как продукт переработки нефти применяется в основном как резервное топливо газомазутных электростанций. Газоснабжающая система России занимает второе место в мире после США по объему добычи. В настоящее время эксплуатируется более 100 месторождений природного газа, крупнейшие из которых расположены в Западной Сибири. Система включает в себя около 100 магистральных газопроводов, по которым газ транспортируется к газоперерабатывающим предприятиям и тепловым электростанциям России, а также экспортируется в ряд европейских стран. Система ядерной энергетики состоит из предприятий по добыче и переработке ядерного топлива, установок по его использованию в народном хозяйстве (в частности, ядерных энергетических реакторов), заводов по восстановлению отработанного горючего и уничтожению отходов. Электро– и теплоснабжающая система включает в себя все энергетические установки и системы электро– и теплоснабжения, обеспечивающие потребителей электрической и тепловой энергией. Как «большая система» ТЭК характеризуется следующими особенностями: 1) непрерывностью, а подчас и неразрывностью во времени процессов производства, преобразования и потребления некоторых видов энергии; 2) широкой взаимозаменяемостью исходной и промежуточной продукции подсистем, причем продукция одних подсистем является в ряде случаев исходным сырьем для других.
Развитие принципа централизации энергоснабженияи, прежде всего, электроснабжения, логически привело сначала к образованию нескольких десятков районных энергетических систем (РЭС) – Мосэнерго, Челябэнерго, Пермэнерго и др., затем к объединению их в региональные энергосистемы, а именно – к созданию 7 объединенных энергосистем (ОЭС) Центра, Урала, Сибири, Северо–Запада, Средней Волги, Северного Кавказа, Востока. В дальнейшем процесс централизации энергоснабжения органически привел к созданию единой энергосистемы (ЕЭС) России. Лишь одна ОЭС Востока в настоящее время формально не входит в состав ЕЭС РФ. В составе ОЭС Востока параллельно работают три РЭС: Амурская, Хабаровская и Дальневосточная. Еще семь РЭС (Камчатская, Сахалинская, Магаданская, Якутская, Мангышлакская, Калининградская и Норильская) работают изолированно. На сегодняшний день в составе ЕЭС России 64 РЭС. Всего же на территории России насчитывается 74 РЭС. К слову сказать, до 1991 года успешно функционировала ЕЭС СССР, которая охватывала практически всю обжитую территорию 15–ти республик. С помощью ЕЭС была решена важнейшая политико–экономическая задача – страна была объединена в единое экономическое пространство. Однако распад СССР привел к разделу электроэнергетической собственности между новыми государствами и к коренному изменению структуры управления энергетикой. В условиях кризиса энергетики России в декабре 1992 года ряд наиболее мощных и рентабельных предприятий энергетики были включены в состав РАО «ЕЭС России». Это 20 тепловых электростанций с установленной мощностью более 1000 МВт каждая с суммарной мощностью 42 ГВт, 15 гидроэлектростанций с установленной мощностью более 300 МВт с суммарной установленной мощностью 26 ГВт, 134 трансформаторных подстанции напряжением 220 кВ и выше с суммарной установленной мощностью трансформаторного оборудования 114,8 ГВА, системообразующие линии электропередачи напряжением 330 кВ и выше общей протяженностью около 57 тыс. км. и др. В рамках реформы электроэнергетики России и в целях выполнения решений Правления РАО «ЕЭС России» 17 июня 2002 г. было зарегистрировано ОАО «Системный оператор – Центральное диспетчерское управление ЕЭС» («СО ЦДУ»). Системный оператор стал первым институтом отечественного рынка электроэнергии. В середине 2008 г. РАО «ЕЭС России» было, по сути, расформировано как выполнившее свою задачу первоначальной реорганизации энергетики в условиях становления рыночной экономики. Создание в начале 2000–х годов оптовых рынков купли/продажи энергии и мощности о (ФОРЭМ, НОРЭМ и др.), образование различных схем торговли энергией, в частности ЭНЕРГОПУЛ, явилось закономерным процессом в условиях формирующихся рыночных отношений. Вместо бывшей ЕЭС СССР ныне функционируют следующие энергетические системы:
Кроме того, на территории бывшего СССР работает ОЭС Средней Азии, объединяющая РЭС Киргизии, Таджикистана, Туркменистана, Узбекистана. В целом ЕЭС России представляет собой развивающийся комплекс электростанций и сетей, объединенных общим технологическим циклом производства, передачи и распределения электрической энергии с единым оперативно–диспетчерским управлением. С точки зрения состава электростанций, объединенных в ЕЭС, российская энергетика сегодня – это порядка 600 тепловых, 100 гидравлических и 9 атомных электростанций. Функционируют несколько автономных электростанций малой энергетики, содержащих газотурбинные, дизельные электростанции. Работают также электростанции, использующие в качестве первичного источника энергии гидравлическую энергию малых рек, солнечную, ветровую, гидротермальную, приливную энергию, но доля производимой ими энергии очень мала по сравнению с тепловыми, атомными и гидравлическими станциями (не превышает 1% от суммарно вырабатываемой энергии в РФ). Основную часть мощности энергосистемы России (70–80%) составляют тепловые электростанции (ТЭС). Мощности гидравлических (ГЭС) и атомных (АЭС) электростанций по разным оценкам составляют от 10 до 15 % от мощности всей ЕЭС. В Сибири, богатой водными ресурсами, мощность ГЭС достигает 50% от установленной мощности электростанций региона. Характерной особенностью ЕЭС России является высокая концентрация мощностей на электростанциях. На ТЭС эксплуатируются энергоблоки единичной мощностью до 1200 МВт, на АЭС работают реакторы максимальной электрической мощностью 1000 МВт. Установленная мощность отдельных электростанций достигает 4,0 ГВт на АЭС, 4,8 ГВт на ТЭС и 6,4 ГВт на ГЭС. Суммарная установленная мощность всех электростанций ЕЭС России составляет порядка 200 ГВт. При этом суммарная годовая выработка электроэнергии в последние годы составляет 850–950 млрд. кВт∙ч. Количество выработанной электроэнергии на душу населения в 2000 году составило около 6800 кВт ∙ ч, что соответствует электропотреблению на душу населения в ведущих странах Западной Европы, но почти вдвое ниже, чем в США и Канаде [15,17]. В этом же году в России потребителям было отпущено около 600 млн. Гкал теплоты. Объединение ЭС на параллельную работу осуществляется по межсистемным электрическим сетям высокого напряжения. В сетях высокого напряжения ЕЭС России исторически сложились две системы номинальных напряжений: 150–330–750 кВ в западных и частично в центральных районах, 110–220–500–1150 кВ в центральных и восточных районах. Эксплуатацией линий электропередач напряжением 330, 500, 750 и 1150 кВ, образующих основную (системообразующую) сеть ЕЭС России, занимаются территориальные подразделения межсистемных электрических сетей (МЭС). Сети напряжением от 220 до 1150 кВ объединяют на параллельную работу. Заметим, что межсистемная связь 500–1150 кВ между Уралом и Сибирью проходит по территории Казахстана. Через вставку постоянного тока ЕЭС России связана с энергетической системой Финляндии, входящей в объединение энергетических систем северных стран Европы (NORDEL). Оперативно–диспетчерское управление ЕЭС России осуществляется с помощью иерархической четырехуровневой автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ). Она включает в себя: центральное диспетчерское управление (ЦДУ) ЕЭС, расположенное в г. Москве; 7 территориальных объединенных диспетчерских управлений (ОДУ); 74 центральных диспетчерских службы (ЦДС) при районных АО–энерго; около 280 диспетчерских пунктов электросетевых предприятий и районов и более 500 пунктов управления электростанциями (нижний уровень управления). Следует отметить, что оперативно–диспетчерскоеуправление ЕЭС России осложнено тем, что имеет место жесткое взаимодействие в едином производственном процессе большого количества энергетических объектов, размещенных на очень большой территории при непрерывном процессе производства, распределения и потребления электроэнергии. Кроме того, в такой большой стране имеет место существенная неравномерность суточных, сезонных, территориальных графиков электрических и тепловых нагрузок. Более того, ряд ОЭС и РЭС России связаны с основной частью ЕЭС через электрические сети, не входящих в состав ЕЭС России, в частности, через сети Казахстана. Преимущества образования ЕЭС заключаются в повышении его экономичности при одновременном повышении надежности и качества электроснабжения потребителей. Повышение экономичности электроснабжения достигается в результате:
Надежность и устойчивость (живучесть)работы ЕЭС РФ достигается в результате:
|