Тепловая энергия

РГР 
 
 
 
 
 
 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ…………........................................…………............................3

1. Описание  сущности технологии  …………..........................................4

2. Основные  способы получения энергии …………...............................6

3. Нетрадиционные источники энергии…………..................................10

4. Тепловые  сети и потери при передаче  тепловой энергии …………....12

5. Оценка жизненного цикла как инструмент планирования затрат….15

6. Производство  и потребление тепловой энергии, себестоимость…….16

7. Спрос на тепловую энергию…………..………………………………..18

8. Альтернатива  производства тепловой энергии………………………..21

9. Теплоснабжение………………………………………………………....22

10. Проблема взаимодействия теплоэнергетики

 и окружающей  среды……………………………………………………...27

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………..28

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………..29 ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………..30 

                                                 ВВЕДЕНИЕ

     Человечеству  нужна тепловая энергия, причем потребности  в ней увеличиваются с каждым годом. Соответственно, запасы традиционных природных топлив (угля, нефти, природного газа и мазута) не бесконечны.

     Поэтому важно на сегодняшний день найти  выгодные  источники  тепловой энергии (энергия ветра и солнца), причем выгодные не только с точки зрения  дешевизны топлива, а также с  точки зрения простоты конструкций, эксплуатации, дешевизны материалов, необходимых для постройки станции, долговечности станций.

       Производству тепловой энергии  должно уделяться большое внимание  не только с экономической  точки зрения но и в странах с низкой температурой.

     Российская  Федерация на сегодняшний день  самая холодная страна в мире. Среднеинтегральная температура по всей территории страны составляет -5,5ºС. В России производится более 2 млрд. Гкал тепла, при этом затрачивается более 400 млн. т условного топлива, это составляет примерно 43% от всех использованных первичных энергоресурсов.

     Тепловая  энергия производится чаще всего  при сжигании различных видов  топлива, широко применяется для  отопления, проведения многочисленных технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания и  т.д.).

         В настоящее время ощущается  дефицит тепловой мощности в  стране, составляющий в совокупности  около 20% для 190 городов и населенных  пунктов. Основная часть отечественных  систем теплоснабжения достаточно  устарела, многие из них имеют  низкую термодинамическую эффективность,  и, соответсвенно, потери тепловой энергии и теплоносителя. Энергосберегающий потенциал теплоснабжающей отрасли составляет от 30 до 50%.

         Экономическая эффективность во  многом зависит от организации  производства и управления, заинтересованности  коллектива и каждого работающего  в достижении лучших результатов  и других факторов.

         Эффективность производства в  целом определяется степенью  гибкости хозяйственных структур  предприятия, восприимчивостью к  научно-техническим достижениям,  уровнем адекватности их действий  к быстро меняющимся условиям, способностью обнаружить новые  направления развития и многим  другим.

     Видна актуальность проблемы снижения эффективности эксплуатации  систем теплоснабжения.

         Цель работы – прежде всего ознакомиться с современным положением дел в этой широкой проблематике, так же понять сущность данной технологии. 
 
 
 

   Описание сущности технологии 

     Тепловая  энергия — форма энергии, которая  может служить продуктом/товаром  для удовлетворения потребностей физических и юридических лиц в тепле  и энергоносителях (пар, горячая  вода для отопления, горячая вода для водоснабжения.

     Основные  понятия и определения характерные  для данных систем:

     - тепловой агент или теплоноситель  это тепловой поток, используемый  для аккумуляции, транспортировки  и передачи тепловой энергии:  пара, горячей и теплой воды;

     - теплоэлектроцентраль - это установка  или совокупность установок, предназначенных  для производства электрической  и тепловой энергии;

     - котельная - это установка или  совокупность установок, предназначенных  для производства тепловой энергии;

     - потребитель - это физическое  или юридическое лицо, потребляющее  тепловую энергию на договорной  основе, путем подключения своих  установок к тепловой сети  поставщика;

     - распределение - это передача  тепловой энергии для ее отпуска  потребителям;

     - тепловая энергия - это форма  энергии, которая может служить  продуктом/товаром для удовлетворения  потребностей физических и юридических  лиц в тепле и энергоносителях  (пар, горячая вода для отопления,  горячая вода для водоснабжения;

     - поставщик тепловой энергии - это предприятие, поставляющее  тепловую энергию потребителям. Поставщик может быть одновременно  производителем и распределителем  или только распределителем;

     - управляющий жилищным фондом - это  ассоциация совладельцев, ассоциация  собственников приватизированного  жилья, жилищно-строительный кооператив, муниципальное предприятие по  управлению жилищным фондом, муниципальное  предприятие жилищно-коммунального  хозяйства, другие экономические  агенты и организации, на балансе  или в управлении которых находится  жилищный фонд;

     - потребляющая установка - это  совокупность установок и приемников, потребляющих тепловую энергию;

     - производитель - это предприятие  со статусом юридического лица (в дальнейшем - предприятие), которое  производит тепловую энергию  на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), котельных (КТ) или в специальных  установках, использующие вторичные  энергоресурсы;

     - граница раздела - это место,  где использующие установки потребителя  присоединяются к тепловым сетям  поставщика, и в которых использующие  установки потребителя и тепловая  сеть поставщика распределяются  по праву собственности;

     - коллективная система теплоснабжения - это общая система обеспечения теплоснабжения индивидуальных квартир в жилых домах;

     - теплоэнергетическая система - это  совокупность элементов, предназначенных  для производства, транспортировки,  распределения и потребления  тепловой энергии;

     - субпотребитель - это физическое или юридическое лицо, тепловые установки которого присоединены к тепловым установкам одного из потребителей, с которым заключен договор;

     - транспортировка - это организованная  деятельность по передаче тепловой  энергии от производителя к  тепловым пунктам распределителей  или потребителей, подключенных  непосредственно к распределяющим  сетям;

     - регулируемая теплоэнергетическая  единица - это предприятие по  производству и/или транспортировке,  распределению или поставке тепловой  энергии, которое является доминирующим (монополистом) на местном рынке  тепловой энергии. Доминирующим (монопольным) положение предприятия  признается при наличии одного  из критериев, установленных законом.

     На  рисунке  1 показаны потери тепловой энергии при нормальной работе участка производства.

     Из  которого видно, что при 100% подачи энергии  топлива  в котел, установленный  в котельной, всего лишь 75% идет в  систему транспорта для передачи теплоносителю, а 25% на потери из которых 18% связанны с недожогом и уходящими газами, 4% на излучения, 3% на собственные нужды котельной.

     В связи с этим тепловая энергия  также требует учёта, а то количество тепла, которое поступает в помещение, должно соответствовать потребностям. Учёт тепла нужен не только потребителям, но и котельным, и тепловым пунктам, для контроля того, как потребляется тепловая энергия.

         На рисунке 2 показан модуль узла учета тепловой энергии.

     Из  которого видно, что для учета  расхода тепловой энергии необходимо устанавливать приборы контроля и измерения (счетчики, манометры, датчики  давления) для получения достоверной  информации о количестве потребления, а также регулирующую аппаратуру, которая дает возможность регулировать подачу как в ручном так и в втоматическом режиме работы.

     Узел  учета тепловой энергии - комплекс приборов и устройств, обеспечивающих учет тепловой энергии, массы (объема) теплоносителя, а также контроль и регистрацию  его параметров. Конструктивно узел учета представляет собой набор "модулей", которые врезаются  в трубопроводы. В узел учета тепла  входят: вычислитель, преобразователи  расхода, температуры, давления, приборы  индикации температуры и давления, а также запорная арматура.

       Для измерения расхода в России  каждому потребителю рекомендована установка индивидуальных приборов учета тепла, горячей и холодной воды.

     Основные способы получения энергии 

     Тепловая  электростанция (ТЭС) - это электростанция, вырабатывающая электрическую энергию в результате преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива. Первые ТЭС появились в конце 19 в и получили преимущественное распространение. Доля вырабатываемой ими электроэнергии составляла: в России и США более 80% (1975), в мире около 76% (1973).

     Около 75% всей электроэнергии России производится на тепловых электростанциях. Большинство  городов России снабжаются именно ТЭС. Часто в городах используются ТЭЦ - теплоэлектроцентрали, производящие не только электроэнергию, но и тепло  в виде горячей воды. Такая система  является не очень непрактичной т.к. в отличие от электрокабеля надежность теплотрасс  низка на больших расстояниях, эффективность централизованного теплоснабжения сильно снижается, следовательно, уменьшается температура теплоносителя. Подсчитано, что при протяженности теплотрасс более 20 км (типичная ситуация для большинства городов) установка электрического бойлера в отдельно стоящем доме становится экономически более выгодна.

     Топливом  для станции могут служить  уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут. Тепловые электрические станции подразделяют на конденсационные (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии, и теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), производящие кроме электрической тепловую энергию в виде горячей воды и пара. Крупные КЭС районного значения получили название государственных районных электростанций (ГРЭС).

     Простейшая  принципиальная схема КЭС, работающей на угле, представлена на рис 3. Уголь  подается в топливный бункер 1, а  из него — в дробильную установку 2, где превращается в пыль.

     Угольная  пыль поступает в топку парогенератора (парового котла) 3, имеющего систему  трубок, в которых циркулирует химически очищенная вода, называемая питательной. В котле вода нагревается, испаряется, а образовавшийся насыщенный пар доводится до температуры 400—650°С и под давлением 3—24 МПа поступает по паропроводу в паровую турбину 4. Параметры пара зависят от мощности агрегатов.

       Тепловые конденсационные электростанции имеют невысокий кпд (30— 40%), так как большая часть энергии теряется с отходящими   топочными газами и охлаждающей водой конденсатора.

     Сооружать КЭС выгодно в непосредственной близости от мест добычи топлива. При  этом потребители    электроэнергии могут находиться на значительном расстоянии от станции.

     Теплоэлектроцентраль  отличается  от  конденсационной станции установленной на ней специальной теплофикационной турбиной с отбором пара. На ТЭЦ одна часть пара полностью используется в турбине для выработки электроэнергии в генераторе 5 и затем поступает в конденсатор 6, а другая, имеющая большую температуру и давление (на рис. штриховая линия), отбирается от промежуточной ступени турбины и используется для теплоснабжения. Конденсат насосом 7 через деаэратор 8 и далее питательным насосом 9 подается в парогенератор. Количество отбираемого пара зависит от потребности предприятий в тепловой энергии.

     Коэффициент полезного действия ТЭЦ достигает 60—70%.

     Такие станции строят обычно вблизи потребителей — промышленных предприятий или жилых массивов. Чаще всего они работают на привозном топливе.

     Рассмотренные тепловые электростанции по виду основного  теплового агрегата —паровой турбины — относятся к паротурбинным станциям. Значительно меньшее распространение получили тепловые станции с газотурбинными (ГТУ), парогазовыми (ПГУ) и дизельными установками.

     Наиболее  экономичными являются крупные тепловые паротурбинные электростанции (сокращенно ТЭС). Большинство ТЭС нашей страны используют в качестве топлива угольную пыль. Для выработки 1 кВт-ч электроэнергии затрачивается несколько сот граммов угля. В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кинетическая энергия струй пара передается ротору. Вал турбины жестко соединен с валом генератора.

     Современные паровые турбины для ТЭС —  весьма совершенные, быстроходные, высокоэкономичные  машины с большим ресурсом работы. Их мощность в одновальном исполнении достигает 1 млн. 200 тыс. кВт, и это  не предел. Такие машины всегда бывают многоступенчатыми, т. е. имеют обычно несколько десятков дисков с рабочими лопатками и такое же количество, перед каждым диском, групп сопел, через которые протекает струя пара. Давление и температура пара постепенно снижаются.

     КПД тепловых двигателей увеличивается с ростом начальной температуры рабочего тела. Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру — почти до 550 °С и давление —до 25 МПа. Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром.

     По  мнению ученых в основе энергетики ближайшего будущего по-прежнему останется  теплоэнергетика на не возобновляемых ресурсах. Но структура ее изменится. Должно сократиться использование нефти.

       Начнется использование пока  еще не тронутых гигантских  запасов дешевых углей, например, в Кузнецком, Канско-Ачинском, Экибаcтузском бассейнах.

     К сожалению, запасы нефти, газа, угля отнюдь не бесконечны. Природе, чтобы создать  эти запасы, потребовались миллионы лет, израсходованы они будут  за сотни лет. Сегодня в мире стали  всерьез задумываться над тем, как  не допустить разграбления земных богатств. Ведь лишь при этом условии запасов топлива может хватить на века.

          Ученые предостерегают: разведанных  запасов органического топлива  при нынешних темпах роста  энергопотребления хватит всего  на 70-130 лет. Конечно, можно перейти  и на другие не возобновляемые источники энергии. Например, ученые уже многие годы пытаются освоить управляемый термоядерный синтез...

           К местным видам топлива относятся в первую очередь торф и дрова.  
 Общие запасы торфа на территории Российской Федерации оцениваются в размере 162,7 млрд. т (при влажности 40%). Наиболее обеспечены торфяными ресурсами северные районы европейской части страны, Западной Сибири, Урала и Северо-Запада страны.  
          Торф является природным ресурсом, запасы которого могут при соответствующих условиях возобновляться. Ежегодный прирост торфа на болотах России составляет 250 млн. т (при влажности 40%).  
         Благодаря низкой трудоёмкости и энергоёмкости добычи топливного торфа, простоте транспортных схем и коротким расстояниям вывозки торф сохраняет конкурентоспособность (в ряде регионов) с другими видами ввозимого твёрдого топлива. Кроме того, торф характеризуется низким содержанием серы и золы, что обеспечивает невысокий уровень вредных выбросов при его сжигании. В 2000 году на электростанциях России было использовано 1,7 млн. т торфа.  
 
Прогнозируются следующие показатели производства и использования в энергетике торфа на период до 2020 года:

• обеспечение новых тепловых электростанций мощностью по 20 - 30 МВт и котельных в обеспеченных торфом и энергодефицитных северных регионах – до 4 млн. т;
• расширение использования кускового торфа в качестве местного топлива за счёт увеличения его добычи – до 3 млн. т;
• восстановление и развитие производства торфяных брикетов – до 1 млн. т.

          Такой вид топлива, как дрова, в настоящее время используют более 5 млн. семей. На эти цели расходуется свыше 50 млн. м³ древесины. Централизованно топливоснабжающими предприятиями реализуется около 6 млн. м³ дров. Для ликвидации дефицита этого топлива необходимо обеспечить поддержание существующих мощностей по заготовке дров и создание новых на базе лесохозяйственных, лесопромышленных и топливных предприятий.  
         Важным местным видом топлива, особенно в целях теплоснабжения, являются городские бытовые отходы. Необходимо создать условия для включения их в топливно-энергетический баланс и решения одновременно экологических проблем.  
 
Децентрализованные потребители могут использовать также древесные и сельскохозяйственные отходы.  
         Для преодоления отставания России в использовании возобновляемых источников энергии, сохранения запасов истощаемого органического топлива для будущих поколений, существенного улучшения энергоснабжения удаленных от электросетей населенных пунктов, а также улучшения экологической обстановки в экологически напряженных районах необходимо:

• разработать и принять федеральный закон "О возобновляемых источниках энергии" и соответствующий акт Правительства Российской Федерации;
• осуществлять государственную поддержку создания межсезонных запасов торфяного и дровяного топлива.

Расчетный анализ содержания тепловой энергии в приходной и расходной частях энергетического баланса может быть выполнен на основе следующих соотношений: 

* содержание  химической энергии, теплота фазовых  превращений, Ткал,

Qп = Мr*10-6,

где М - расход материального потока за рассматриваемый  промежуток времени (час, год), кг или м3;

г - удельная химическая энергия, энергия фазовых превращений,    ккал/кг или ккал/м3; 

* теплосодержание  материальных потоков, Гкал,

QM = Mc Т*10-6,

где с - массовая или объемная удельная теплоемкость материального   потокаМ;

Т - температура  потока, °С; 

* расход теплоты  на отопление, Гкал,

QOT = qoV(TBH-Toc)t*10-6,

где q0 - объемная отопительная характеристика объекта;

V- внешний  объем объекта, м3;

Твн, Toc - температуры внутри и вне объекта,

°С; t - рассматриваемый промежуток времени, ч; 

* тепловой  эквивалент электрической энергии,  Гкал,

Q = W*0,86*10-6 ,

где W - подведенная (потребленная) за рассматриваемый  промежуток времени (час, год) электрическая энергия, кВт. 

 Нетрадиционные источники энергии

   Одним из нетрадиционных источников энергии является тепловая энергия океана.                      

     Известно, что запасы энергии в Мировом  океане колоссальны, ведь две трети  земной поверхности (361 млн. км2) занимают моря и океаны. Так, тепловая (внутренняя) энергия, имеет величину около 1026 Дж.

     Кинетическая  энергия океанских течений оценивается  величиной 1018Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь малые доли этой энергии, да и то ценой больших  и медленно окупающихся капиталовложений.

     Последние десятилетие характеризуется определенными  успехами в использовании тепловой энергии океана. Так, созданы установки мини-ОТЕС и ОТЕС-1 (ОТЕС – начальные буквы английских слов Осеаn Тhеrmal Energy Conversion, т.e. преобразование тепловой энергии океана). В августе 1979 г. вблизи Гавайских островов начала работать теплоэнергетическая установка мини-ОТЕС. Пробная эксплуатация установки в течение трех с половиной месяцев показала ее достаточную надежность.

     Почти все источники энергии в какой-то степени используют энергию солнца: и уголь, и нефть, и природный  газ.

     Было  бы неплохо исключить эти превращения  и найти способ непосредственно  преобразовывать тепловое и световое излучение в энергию.

     Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной  электростанции.

     И хотя то в одной, то в другой стране появляются экспериментальные рефлекторы-нагреватели, а в публикуемых статьях напоминают о неиссякаемости светила, рентабельнее они от этого не становятся и широкого распространения пока не получают: слишком дорогое удовольствие это  даровое солнечное излучение.

     В значительно более широких масштабах  солнечную энергию используют после  ее концентрации при помощи зеркал – для плавления веществ, дистилляции  воды, нагрева,  отопления и т. д. Поскольку энергия солнечного излучения распределена по большой  площади, любая установка для  прямого использования солнечной  энергии должна иметь собирающее устройство (коллектор) с достаточной  поверхностью. Простейшее устройство – плоский коллектор; в принципе это черная плита, хорошо изолированная  снизу. Она прикрыта стеклом или  пластмассой, которая пропускает свет, но не пропускает инфракрасное тепловое излучение. В пространстве между  плитой и стеклом чаще всего размещают  черные трубки, через которые текут  вода, масло, ртуть, воздух, сернистый  ангидрид и т. п. Солнечное излучение, проникая через стекло или пластмассу в коллектор, поглощается черными  трубками и плитой и нагревает  рабочее вещество в трубках. Тепловое излучение не может выйти из коллектора, поэтому температура в нем  значительно выше (па 200–500°С), чем  температура окружающего воздуха. В этом проявляется так называемый парниковый эффект.

     Солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление аппаратуры, их перевозки.

Существует  также водородная энергетика.                        

     Водород, самый простой и легкий из всех химических элементов, можно считать  идеальным топливом. Он имеется всюду, где есть вода. При сжигании водорода образуется вода, которую можно снова  разложить на водород и кислород, причем этот процесс не вызывает никакого загрязнения окружающей среды. Водородное пламя не выделяет в атмосферу продуктов, которыми неизбежно сопровождается горение любых других видов топлива: углекислого газа, окиси углерода, сернистого газа, углеводородов, золы, органических перекисей н т. п. Водород обладает очень высокой теплотворной способностью: при сжигании 1 г водорода получается 120 Дж тепловой энергии, а при сжигании 1 г бензина – только 47 Дж.

     Водород можно транспортировать и распределять по трубопроводам. Трубопроводный транспорт топлива – самый дешевый способ дальней передачи энергии.

     Водород может служить и химическим сырьем во многих отраслях промышленности, например при производстве удобрений и продуктов питания, в металлургии и нефтехимии. Его можно использовать и для выработки электроэнергии на местных тепловых электростанциях.

             Учитывая  результаты существующих прогнозов по истощению к середине – концу следующего столетия запасов традиционных энергоресурсов, а также сокращение потребления угля (которого, по расчетам, должно хватить на 300 лет) из-за вредных выбросов в атмосферу, а также употребления ядерного топлива, которого при условии интенсивного развития реакторов - размножителей хватит не менее чем на 1000 лет можно считать, что на данном этапе развития науки и техники тепловые, атомные и гидроэлектрические источники будут еще долгое время преобладать над остальными источниками электроэнергии. Уже началось удорожание  нефти, поэтому тепловые электростанции на этом топливе будут вытеснены станциями на угле.  На рисунке 4 представлены источники и виды энергии, и, соответственно, типы установок. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Тепловые  сети