ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Технологические схемы производства энергии

Практически все энергетическое топливо используется для получе­ния тепловой энергии в виде пара и горячей воды. Исключение составляет топливо, которое непосредственно используется в системах печного, кало­риферного отопления, а также с применением газовых горелок инфракрас­ного излучения, когда продукты сгорания природного газа поступают не­посредственно в отапливаемое помещение.

Устройства, предназначенные для получения пара или горячей воды повышенного давления за счет теплоты, выделяемой при сжигании топли­ва, или теплоты, подводимой от посторонних источников (обычно с горя­чими газами), называют котлами. По производимой продукции они де­лятся на паровые и водогрейные. Котлы, использующие (утилизирующие) теплоту отходящих из технологических печей газов или других основных и побочных продуктов, называют котлами-утилизаторами. В целях обеспечения стабильной и безопасной работы котла предусматривается ус­тановка вспомогательного оборудования, предназначенного для подготов­ки и подачи топлива, подачи воздуха, подготовки подачи воды, отвода продуктов сгорания топлива и их очистки от золы и токсичных примесей, удаления золошлаковых остатков топлива. В зависимости от вида сжигае­мого топлива и других условий некоторые из указанных элементов могут отсутствовать. Котлы, снабжающие паром турбины, называют энергети­ческими. Для снабжения паром производственных потребителей и отопле­ния зданий разработаны специальные производственные и отопитель­ные котлы.

В качестве источников тепла для котлов используются природные и искусственные топлива, отходящие газы технологических печей и других устройств, ядерная энергия, а также возобновляемые источники энергии - солнечная энергия, ветер, вода рек и др. Значительная часть тепловой энергии превращается в электричество, как правило, на специальных про­изводственных комплексах - электрических станциях. Энергию водного потока преобразовывают в электричество на гидроэлектростанциях (ГЭС). Водный поток вращает рабочие колесо турбины, которое соответственно приводит в движение ротор генератора, вырабатывающего электрический ток. На тепловых электростанциях (ТЭС) турбины вращает пар, вырабаты­ваемый в котлах. На ТЭС производится в мире до 70 - 80 % электроэнер­гии. В настоящее время кроме паровых турбин на ТЭС используются газо­турбинные установки. Получают распространение и электростанции с дви­гателями внутреннего сгорания на самых различных видах топлива - ди­зельном, природном газе, биогазе и др.

Коэффициент полезного действия современных ТЭС с паровыми турбинами достигает 40 %, с газовыми турбинами пока не более 37 %. Ос­воены также комбинированные установки с паровыми и газовыми турби­нами (парогазовые установки - ПГУ) мощностью 250 МВт. Коэффициент полезного действия ПГУ может достигать 43 %. В 50-е годы ХХ века атомные электростанции (АЭС) также имеют паротрубный привод элек­трогенератора и отличаются от традиционных ТЭС лишь типом парогене­ратора (рис. 1.1). В целом по всему миру АЭС вырабатывают до 16 % элек­троэнергии.

По виду отпускаемой электроэнергии паротурбинные ТЭС делятся на конденсационные электрические станции (КЭС) и теплоэлектроцентра­ли (ТЭЦ). На КЭС установлены турбогенераторы конденсационного типа, они производят только электроэнергию.

ТЭЦ отпускают внешним потребителям электроэнергию и тепловую энергию с паром и горячей водой. Поскольку ТЭЦ связана с потребителя­ми достаточно протяженными трубопроводами пара и горячей воды, это вызывает повышенные тепловые потери.

В бывшем СССР был крен в сторону крупных и очень крупных стан­ций. Например, установленная мощность Рефтинской ГРЭС (государст­венная районная электростанция) составляет 3800 МВт. При этом сжигает­ся очень высокозольный экибастузский уголь.

В настоящее время все большее развитие получают системы распре­деленной (сотовой) энергетики, когда наряду с крупными энергоисточни­ками в единой системе функционируют мини-ТЭС с установленной мощ­ностью от 1 МВт [71].

Сжатый воздух. Для производства сжатого воздуха используются различные компрессорные установки с электроприводом. При производст­ве дутья для доменных печей металлургических предприятий (доменного дутья) используются компрессоры с турбоприводом. В этом случае значи­тельно снижаются удельные расходы электроэнергии, соответственно, 100 и 80 кВт /1000 м сжатого воздуха с давлением около 8 атм.

Кислород получают чаще всего из воздуха посредством реализации цикла глубокого охлаждения и разделения воздуха. К настоящему времени созданы воздухоразделительные установки различного назначения. Осно­вой комплекса процессов цикла разделения воздуха является процесс рек­тификации - это физический способ, базирующийся на различии в темпе­ратурах кипения отдельных компонентов воздуха. Этот процесс реализует­ся за счет низких температур. Хладоагентом чаще всего служит сам пере­рабатываемый воздух. Задача создания необходимого холода сводится к соответствующему уменьшению энтальпии воздуха. С этой целью приме­няют несколько способов:

• использование расширительной машины (детандера),

• использование эффекта Джоуля - Томсона, который заключается в том, что в ходе дросселирования сжатого воздуха при определенных ус­ловиях происходит понижение его температуры. В зависимости от схемы воздухоразделительной установки возможно получение технологического кислорода, содержащего 95 % кислорода, или технического кислорода, со­держащего 99,5 % кислорода.