Володин В.И Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.

131

Рис.11.1. Строение атмосферы

Рис.11.2. Происхождение парникового эффекта

В средней атмосфере присутствует озоновый слой. Молекулы озона

поглощают солнечное излучение с длиной волн короче 290 нм и инфракрасное

излучение с поверхности Земли с длиной волн 9-10 мкм, усиливая «парниковый

эффект». Таким образом, озоновый слой участвует в обеспечении безопасного

уровня ультрафиолетовой радиации и поддерживает устойчивый климат на

Земле. В тропосфере и стратосфере озон оказывает воздействие на химические

процессы с участием антропогенных примесей, контролируя их содержание. Эти

процессы обеспечивают оптимальные условия существования флоры и фауны.

Выбросы в атмосферу хлорсодержащих газов и окислов азота приводят к

истощению и разрушению озонового слоя, что ведет к увеличению,

180 200 220 240 260 280 300

100

Высота, км

Температура, К

Стратосфера

Тропосфера

Мезосфера

Термосфера

мезопауза

стратопауза

тропопауза

ЗЕМЛЯ

АТМОСФЕРА

Излучение,

достигшее

земной поверхности

Излучение,

поглощенное

атмосферой

Поступающая

солнечная

радиация

Излучение,

отражаемое

в космос

Радиация,

вовращающаяся

в космос

Излучение,

отраженное

от земной

поверхности

132

поступающего на Землю биологически вредного солнечного ультрафиолетового

излучения [59].

Наиболее эффективным способом снижения вредных выбросов в

атмосферу является уменьшение использования топлива, которое может быть

достигнуто за счет рационального и экономного использования энергии. Таким

образом, энергосбережение способствует улучшению экологии окружающей

среды. Этот фактор важен для Беларуси, где основным источником энергии

являются топливоиспользующие установки.

Рассмотрим, какими путями может быть достигнуто снижение

потребления топлива. Некоторые из мероприятий, способствующие снижению

потребления первичной энергии в виде топлива, мы рассмотрели ранее в главах

2-10. Например, использование контактных утилизационных теплообменных

аппаратов позволяет не только использовать сбросное тепло, но и очищать газы.

Утилизация тепловых энергетических отходов непосредственно связана с

экологическими мероприятиями, так как за счет этого достигается снижение

вредных выбросов, пропорциональное сэкономленному топливу. Особенно

наглядной и ощутимой является организация оптимальных топочных процессов

и утилизация сбросного тепла в промышленных печах, котельных установках и

на других объектах электроэнергетики. Рассмотрим некоторые аспекты данного

направления.

Ископаемое топливо пока остается преобладающим источником энергии,

получаемой в форме теплоты при сжигании топлива. Исследования,

проведенные в Дании, показывают [13], что комбинированное производство

электрической энергии и тепла на ТЭЦ является самым важным направлением в

снижении выбросов СО

. При этом снижение выбросов СО

в среднем

составляет 500 кг/МВт⋅ч при производстве 1 МВт⋅ч электроэнергии по

комбинированному циклу в сравнении с раздельным производством

электрической и тепловой энергии на ТЭС и в котельных. Кроме диоксида

углерода уменьшается количество вредных выбросов SO

и NO

(рис.11.3).

Внутреннее использование тепловых энергетических отходов в котельных

установках и промышленных печах для подогрева питательной воды и

предварительного подогрева первичного воздуха до 200-400

С дает реальную

экономию топлива. Так, при подогреве воздуха реальная экономия топлива в

среднем может достигать 25% (рис.11.4).

Поддержание оптимального состава топливовоздушной смеси позволяет

достичь максимально возможной температуры горения, что снижает

потребление топлива. При увеличении коэффициента избытка воздуха до 2

133

Рис.11.3. Влияние технологии производства теплоты и электроэнергии на загрязнение

окружающей среды

температура горения уменьшается на 40% (рис.11.5). Кроме того, при избытке

воздуха дополнительное потребление топлива возрастает до 25% в зависимости

от температуры отходящих газов (см.рис.2.1). Оптимальный состав

топливовоздушной смеси можно поддерживать с помощью горелок с

автоматическим управлением. Для этого дополнительно применяются системы

сбора информации о химическом составе отходящих дымовых газов, ее

обработка и осуществление автоматического регулирования на основе

обработанной информации.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

ОГ

=600

800

1000

1200

1400

1500

1600

=1,05

Подогрев первичного воздуха,

Экономия топлива, %

Рис.11.4. Экономия топлива за счет

подогрева первичного воздуха в

зависимости от температуры дымовых

газов t

ог

100

120

Раздельное производство энергии

Совместное производство энергии

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

200

400

600

800

1000

Коэффициент избытка воздуха

Температура горения газа,

Рис.11.5. Влияние коэффициента избытка и

подогрева воздуха на температуру горения

газа

134

Контроль эффективности сгорания топлива основывается на измерении

содержания СО

в отходящих дымовых газах. Считается, что при оптимальном

сгорании природного газа получается от 8 до 9,5% СО

, а при сгорании мазута

от 10 до 12,5%. Рекомендуется дополнительно измерять содержание кислорода,

так как оптимальное содержание СО

можно получить как при недожоге

топлива, так и при его полном сгорании с оптимальным значением

коэффициента избытка воздуха α>1. Это показано на рис.11.6.

Для уменьшения выбросов NO

воздух, подаваемый на горение,

необходимо смешивать с частью отходящих газов, организуя их рециркуляцию.

Повышенная влажность топлива снижает температуру его горения и

требует избытка воздуха для полного сгорания, что снижает эффективность

процесса горения. Данная закономерность для древесного топлива

проиллюстрирована на рис.11.7 [10]. На этом же рисунке видно, что подогрев

первичного воздуха до 200

С обеспечивает повышение температуры горения на

7%.

Значительным источником вредных выбросов является транспорт.

Производство топлива для транспорта поглощает в некоторых странах до 50%

потребляемой нефти. Автомобильные выхлопные газы содержат такие вредные

вещества, как окись углерода, летучие органические соединения, окись азота и

свинец. Ядовитые выхлопные газы и свинец отрицательно влияют на нервную

систему. Разработка технологий производства чистого горючего и улучшенных

двигателей с минимальным потреблением топлива позволяет уменьшить

СО

и другие

продукты сгорания

Стехиометрический

состав

Рис.11.6. Неоднозначность определения

эффективности сжигания топлива на

основе измерения только СО

10 20 30 40 50 60

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

=200

=1,2

W, %

Рис.11.7. Влияние влажности древесного

топлива и предварительного подогрева

воздуха на температуру горения

135

загрязнение от транспортных средств. Количество потребляемого топлива

транспортными средствами, как и в энергетике, зависит от оптимального состава

топливовоздушной смеси.

Использование биомассы в виде топлива также дает преимущества для

экологии, так как при ее сгорании не выделяется больше СО

, чем при

естественном разложении в природе. Переработанный навоз путем анаэробного

сбраживания уменьшает выделение азота в грунтовые воды и выделение метана,

вызывающих «парниковый эффект» в атмосфере. Биомасса может быть

использована в сочетании с органическим топливом - углем, торфом. Для

утилизации биомассы с целью получения энергии используются современные

устройства: топки с кипящим слоем, газогенераторы.

Биомасса играет большую роль в энергообеспечении земного шара. В

мире приблизительно половина населения готовит себе пищу, используя

топливо из биомассы. Однако некоторые способы сжигания биомассы могут

приводить к высокому уровню загрязнения в помещении. Например,

использование очагов без установки труб.

Наряду с биомассой, в улучшении экологической обстановки значимую

роль могут сыграть и другие возобновляемые источники энергии: Солнце и

ветер. Затраты на производство возобновляемой энергии постоянно снижаются,

и она со временем может стать конкурентоспособной с источниками на

ископаемом топливе.

Снижение потерь тепла через ограждения агрегатов и устройств, которые

используются при его производстве, транспортировке и потреблении, также

уменьшает потребление топлива. Любые потери тепла требуют компенсации,

так как потребитель должен получить необходимое количество энергии для

проведения технологических процессов или создания комфортных условий для

работы, учебы, отдыха.

Значительное уменьшение потребления энергии может быть достигнуто и

за счет совершенствования технологических процессов, использования

современного основного и вспомогательного оборудования.

11.2. Экология возобновляемых источников энергии

Имеются диаметрально противоположные мнения о влиянии

возобновляемых источников энергии на окружающую среду. Рассмотрим ВИЭ,

которые являются перспективными для Беларуси.

Прямой поток солнечной энергии оказывает минимальное воздействие на

окружающую среду. Однако под его влиянием происходит разрушение

некоторых материалов, что требует их замещения, связанного с использованием

энергии. К таким материалам, например, относятся некоторые полимеры. Кроме

136

дополнительного потребления энергии на их воспроизводство, возникает

проблема захоронения и переработки.

Развитие гидроэнергетики требует создания водохранилищ, что

сопряжено с отчуждением земель, в том числе ценных для производства

сельхозпродукции и развития животноводства, и их затоплением. В результате

этого измененяетя инфраструктура в районе гидроэлектростанции, возрастает

поверхность зеркала воды, изменяется ее температура по течению ниже

плотины. Летом вода более холодная, а зимой теплая. Это воздействует на

микроклимат, так как повышается влажность. Кроме того, плотины

препятствуют продвижению рыб в верховье рек во время нереста. Чтобы

ликвидировать ущерб, требуется строить специальные водоводы.

Ветроэнергетические установки, как и гидроэлектростанции, требуют

отчуждения земель, изменяют окружающий ландшафт. Они создают шум и

вибрации, являются источником электромагнитного излучения. Шум вызывает

раздражение, мешает работе, может приводить к функциональным изменениям в

организме. Электромагнитное излучение создает радио- и телепомехи. Чтобы

избежать этих воздействий, требуется создание санитарной зоны от нескольких

сот метров до 2-х километров.

В странах, где используются ветроэнергетические установки, введены

ограничения по шуму. Из табл.11.2 видно, что в некоторых странах в дневное

время допускается более высокий уровень шума. Наивысшая выносливость к

шуму у человека составляет 130Дб.

Таблица 11.2

Предельные нормы по шуму ветроэнергетических установок [60]

Страна

Промышленная

зона, Дб

Смешанная

зона, Дб

Жилые

квартиры, Дб

Сельские

районы, Дб

Дания - - 40 45

Германия:

день 65 60 55 50

ночь 50 45 40 35

Голландия:

день - 50 45 40

ночь - 40 35 30

Исследования показывают, что животные уживаются с ВЭУ, а удачно

выбранное для размещения ВЭУ место создает минимальную опасность для

птиц.

Соблюдение требований по шуму и благоприятное размещение ВЭУ

сводит ущерб, наносимый окружающей среде, к минимуму.

137

Одной из проблем использования геотермальных источников для нужд

теплоснабжения является то, что они работают по разомкнутой схеме. И если

засоление термальных вод значительное, сбросные воды будут также приводить

к засолению земли.

В целом при соблюдении всех требований по охране окружающей среды

возобновляемые источники энергии оказывают минимальное воздействие на

окружающую среду.

Связь экологии и энергосбережения четко просматривается в основных

приоритетных мероприятиях, направленных на снижение парникового эффекта

и рекомендованных бюро по защите окружающей среды [61]. Эти мероприятия

относятся к нескольким направлениям и включают следующий перечень,

непосредственно связанный с энергетикой:

• Более эффективное производство, передача и распределение энергии.

• Уменьшение энергоемкости обработки основных материалов.

• Эффективные моторы и приводы.

• Освещение и водяное отопление.

• Возобновляемые виды энергии, такие, как фотоэлектрическая, солнечно-

тепловая и энергия ветра.

• Газификаторы биомассы.

• Устойчивое производство биомассы для замены ископаемого топлива.

• Совершенные, эффективные газотурбинные циклы.

• Микрогидроэнергия.

• Переход в топливе на природный газ.

• Переработка городских и сельских отходов.

Одним из направлений экологизации энергосбережения может являться

проведение совместного эколого-энергетического аудита и экспертизы и

соблюдение экологического законодательства в энергосбережении. Взаимосвязь

экологии и энергосбережения выражается простой формулой - экономишь

энергию  уменьшается отрицательное воздействие на окружающую среду.

Контрольные вопросы

1. Как устроена атмосфера?

2. Источником каких вредных веществ, поступающих в атмосферу, являются

энергетические объекты?

3. За счет каких мероприятий можно уменьшить потребление органического топлива?

4. В чем проявляется воздействие вредных выбросов на окружающую среду?

5. Что такое парниковый эффект?

6. Каково значение озонового слоя для жизнедеятельности на Земле?

7. Оказывают ли возобновляемые источники энергии отрицательное воздействие на

окружающую среду?

8. Какие мероприятия в сфере энергетики позволяют снизить парниковый эффект?

138

12. ОРГАНИЗАЦИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Повышение эффективности производства требует от руководства

предприятия организации эффективного использования различных ресурсов,

включая энергию.

Начинать эффективно использовать энергию необходимо там, где можно

получить быстрый эффект при минимальных затратах. С точки зрения

энергетической эффективности конечной целью является снижение уровня

потребления энергии на единицу выпускаемой продукции или услуг с

сохранением объема производства и уменьшением отрицательного воздействия

на окружающую среду. Для этого необходимо наладить контроль и учет за

расходованием всех видов энергоресурсов, организовать службу

энергетического менеджмента.

После внедрения на предприятии системы учета и контроля за

расходованием энергоресурсов можно эффективно заниматься вопросами

энергосбережения. Организация энергосбережения может проводиться

собственными силами предприятия параллельно с внедрением учета и контроля

за энергоресурсами или с помощью специалистов специализированных

консалтинговых (консультационных) предприятий. В первом случае организация

энергосбережения осуществляется на основе энергетического менеджмента, а во

втором - аудита. Энергетический аудит может служить основой для внедрения

на предприятии энергетического менеджмента.

12.1. Приборы учета, контроля и диагностики расходования энергоресурсов

Анализ эффективности использования топливно-энергетических ресурсов

может быть проведен лишь на основе количественных данных их потребления с

учетом всей энергетической цепочки от генерирования энергии до ее конечного

применения.

Методы измерения количества топлива зависят от его агрегатного

состояния. Измеряются масса твердого топлива, объем, массовый или объемный

расход жидкого и газообразного топлива. Количество древесного топлива может

измеряться в плотных кубических метрах (пл. м

). Дополнительно может

потребоваться измерение температуры и давления. Кроме того, для оценки

качества топлива необходимо знать его влажность.

Масса топлив определяется с помощью разнообразных конструкций весов

как для взвешивания с фиксированной нагрузкой, так и для взвешивания

движущегося топлива. При загрузке топлива в топочное устройство могут

использоваться дозирующие питатели. При хранении жидкого топлива

измеряется уровень с помощью уровнемеров или манометров.

139

Влажность газообразных топлив измеряется с помощью гигрометров или

специальных анализаторов. Влажность твердых топлив может быть определена

на основе измерения электрического сопротивления или диэлектрической

постоянной. Влажность твердых топлив, как правило, измеряют в измельченном

состоянии в виде порошка, гранул, опилок.

В технике для измерения давления в качестве контрольно-измерительной

аппаратуры используются индикаторные манометры с подвижной стрелкой и

секторной шкалой. Имеются приборы, в которых давление преобразуется в

электрический сигнал. Для преобразования широко применяются тензометры,

где при измерении давления меняется длина и диаметр проволоки, и, как

следствие, электрическое сопротивление, которое характеризует давление.

Измерение давления проводится не только для определения свойств жидких или

газообразных энергоносителей, но и для определения затрат энергии на их

перемещение по трубопроводам.

В связи со значимостью уменьшения потерь теплоты на всех стадиях ее

производства и потребления измерение температуры приобретает

первостепенное значение. По-прежнему находят применение стеклянно-

жидкостные термометры (рис.12.1а), принцип действия которых основан на том,

что рабочая жидкость с изменением температуры меняет свой объем. С ростом

температуры он увеличивается, а с падением – уменьшается. Температурный

диапазон этих приборов составляет от -200

С до +650

С.

Рис.12.1. Стеклянно-жидкостные термометры (а), схема термопреобразователя (б) и

термометр сопротивления (в): 1 – герметичная крышка; 2 – резьбовое отверстие для

вывода проводов; 3 – резьба для установки термометра; 4 – кожух термометра; 5 –

керамическая втулка; 6 – выводные клеммы обмотки; 7 – поддерживающая спираль; 8 –

обмотка термометра

а)

б)

в)

140

В современных измерительных системах измерение температуры

производится с помощью термопреобразователей, в основе работы которых

лежит эффект Зеебека. Термопреобразователь представляет собой два

проводника из различных металлов, сваренных концами (рис.12.1б).

Термоэлектрический ток в электрической цепи из разнородных металлов течет

от провода А к термоэлектрически позитивному проводу В, если точка с

температурой T

является более холодной точкой соединения. Чувствительные

положительные элементы могут изготавливаться из платинородия, хромеля,

меди, железа, а отрицательные - платины, алюмеля, константана. Для надежной

работы термопреобразователи помещают в защитные чехлы.

Наряду с термопреобразователями, широкое применение для измерения

температуры находят термометры сопротивления (рис.12.1в). Они

изготавливаются из металлов (медь, платина, никель), которые при изменении

температуры меняют свое электрическое сопротивление. Термометры

сопротивления применяются для измерения температур в отдельных точках, для

измерения средних температур и для измерения температуры поверхности. В

зависимости от назначения прибора обмотка сопротивления имеет различную

протяженность и форму.

На основе рассмотренных устройств регистрации температуры

выпускаются электронные термометры с индикацией температуры на

жидкокристаллическом дисплее. Эти приборы снабжаются термощупами

(термозондами) различной конструкции, которые позволяют измерять

температуру в жидких и газообразных средах и на поверхности твердых тел. В

последнем случае используются наклеиваемые датчики.

Большое количество тепла может теряться через ограждающие

поверхности котлов, печей, теплопроводов, зданий и других теплоиспользующих

устройств. Кроме того, во многих устройствах, механизмах и агрегатах в

процессе работы происходит преобразование механической работы,

электрической энергии в тепло, что необходимо учитывать при определении их

энергоэффективности. В связи с этим важно осуществлять контроль

температуры поверхностей ограждающих конструкций и устройств, что

позволяет определить тепловые потери.

Для измерения температур поверхностей удобными в использовании

являются инфракрасные пирометры и тепловизоры. В этих приборах лучистый

поток от измеряемого объекта проходит через оптическую систему и

«фокусируется» на термоэлементе, где происходит преобразование первичного

сигнала в электрический. Устройство и принцип действия радиационного

пирометра показан на рис.12.2. С помощью инфракрасных пирометров измеряют

локальные или усредненные по ограниченной площади температуры. Диапазон