ТЕР и ФЕР при формировании сметы

> Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) разделяют на три большие группы:

горючие (топливные);

тепловые;

избыточного давления.

Горючие ВЭР — побочные горючие газы металлургических произ­водств, горючие газы и отходы процессов переработки углеродистого и углеводородного сырья; твердые и жидкие топливные отходы, непригодные для дальнейшей технической переработки (щепа, обрезки, стружка, опилки) и др.

К горючим ВЭР относятся доменный, конвертерный, коксовый и генера­торный газы, являющиеся низкокалорийными видами топлива.

Доменный газ (его также называют колошниковым) — это отходящий газ доменных печей, который содержит 20—30 % оксида углерода и 1— 8 % водорода. Основную часть его составляют азот и диоксид углерода.

Низшая теплота сгорания доменного газа составляет 3,6 — 4,6 МДж/м .

Конвертерный газ образуется при конвертерной выплавке стали. Его состав следующий: 67—79 % оксида углерода; 13—16% диоксида угле­рода; 5 —14%) азота; 0 — 3 % водорода и воды. Низшая теплота сгорания

равна 8,4 — 9,2 МДж/м³.

Коксовъф газ получается при коксовании каменного угля. Он содержит 55— 60 % водорода, 20—30% метана, 5 — 7% оксида углерода. Его низ-

шая теплота сгорания составляет 17,2 —18,8 МДж/м .

Генераторный газ образуется при газификации угля в газогенераторах. Он содержит большое количество углекислоты. Теплота сгорания генераторного газа в зависимости от способа газификации составляет от 4 до 10 —

13,5 МДж/м³.

К горючим ВЭР можно отнести также отходы деревообрабатывающей промышленности и бытовой мусор, сжигаемый или газифицируемый на мусороперерабатывающих заводах.

Тепловые ВЭР представляют собой физическую теплоту отходящих газов технологических агрегатов, основной и побочной продукции, жидко­стей и газов, используемых для принудительного охлаждения технологиче­ских агрегатов и установок, теплоту шлаков, золы, горячей воды и пара, отработавших в технологических и силовых установках, а также теплоту, уходящую с поверхности ограждений промышленных печей и др.

Примерами тепловых ВЭР могут служить дымовые газы (газообразные продукты сгорания), уходящие из промышленных печей, горячий сушильный агент на выходе из конвективных сушильных установок, пары дистиллята и горячий кубовый остаток ректификационных установок, вентиляционный воздух, удаляемый из помещений.

Вторичные энергоресурсы избыточного давления — потенциальная энергия газов и жидкостей, покидающих технологические агрегаты с избы­точным давлением, которое необходимо снижать перед последующей ступе­нью их использования или при их выбросе в атмосферу, водоемы, емкости или другие приемники.

К таким ВЭР относится, например, сжатый природный газ, поступаю­щий в котельные установки, энергию давления которого можно использо­вать в турбодетандерных агрегатах, и водяной пар, давление которого перед применением снижается в редукционно-охладительных установках.

Некоторые виды ВЭР могут одновременно использоваться и как горючие, и как тепловые, а иногда и как ВЭР избыточного давления. Таким ВЭР является доменный газ.

Произведенные энергетические ресурсы

Электроэнергия. Электрическая энергия вырабатывается на тепловых, гидроэнергетических и атомных электростанциях. Основными производи­телями электрической энергии являются тепловые электростанции (рис. 1.3). Тепловые электростанции (ТЭС) делятся на паротурбинные, газотурбинные и электростанции парогазового цикла (комбинированные). В России большая часть электроэнергии, вырабатываемой на ТЭС (при­мерно 90%), производится на паротурбинных электростанциях.» Коэффи­циент полезного действия паротурбинных электростанций обычно состав­ляет 35—43 %. Для газотурбинных установок он лежит в пределах 30— 35 %. КПД парогазовых установок, широко используемых в Западной Европе, достигает 50—55 %.

Часть тепловых электростанций кроме электроэнергии вырабатывает также и тепловую энергию. Такие электростанции называют теплоэлектро­централями (ТЭЦ).

Выработка электроэнергии на электростанциях производится генерато­рами трехфазного переменного тока, приводимыми в действие паровыми, газовыми или гидравлическими турбинами. Мощность электрогенераторов на электростанциях достигает 1200 МВт.

Передача электрической энергии на большие расстояния осуществляется по линиям электропередачи высокого напряжения. Потери электрической энергии при ее передаче существенно меньше, чем при передаче тепловой энергии, и зависят от напряжения в сети.

Электроэнергия широко используется в промышленности, быту, на транспорте. У потребителей она преобразуется до требуемого напряжения, при необходимости переменное напряжение преобразуется в постоянное, и затем электроэнергия используется в основном в виде механической (Элект­родвигатели), тепловой (электронагреватели), лучистой (осветительные при­боры) и химической (электролизеры) энергии, а также энергии постоянного электрического тока.

Рис. 1.3. Выработка электриче­ской энергии различными типами электростанций в Рос­сии в 2005 г. [3]:

1 — атомные электростанции;

2 — гидроэлектростанции; 3 — тепловые электростанции и пр.

Рис. 1.4. Выработка тепловой энергии в России различными источниками [4]:

I — ТЭЦ; 2 — крупные котельные [тепловая мощ­ность более 117 МВт (100 Гкал/ч)]; 3 — малые котельные [тепловая мощность менее 117 МВт (100 Гкал/ч)]; 4 — автономные источники теплоты; 5 — источники теплоты, использующие ядерную, солнечную и геотермальную энергию

Тепловая энергия. Тепловая энергия производится при сжигании топ­лива. Она используется для теплоснабжения жилых, общественных и про­мышленных зданий, т.е. на нужды отопления, горячего водоснабжения, вен­тиляции и кондиционирования воздуха. В промышленности тепловая энергия применяется для осуществления таких технологических процессов, как сушка, выпаривание, перегонка и ректификация, подогрев, промывка, варка, пропаривание и др.

В относительно небольших количествах тепловая энергия получается при использовании солнечной энергии и теплоты геотермальных источников.

Одновременное производство тепловой и электрической энергии осу­ществляется в турбинах на тепловых электроцентралях (рис. 1.4). Тепловая энергия производится также в отопительных котельных и котельных про­мышленных предприятий.

Тепловая энергия в большей части передается с водяным паром, горячей водой, в меньшей — с другими теплоносителями. Передача тепловой энер­гии осуществляется по тепловым сетям. Температура горячей воды в тепло­вых сетях составляет 70—150 °С, температура пара равна 150—250 °С. Избыточное давление пара и воды в трубопроводах обычно не превышает 1,6 МПа.

Не следует считать, что носителями тепловой энергии являются только среды с высокой температурой. Холод, переносимый средами с температу­рой ниже температуры окружающей среды, — тоже тепловая энергия. На его выработку для нужд холодоснабжения и кондиционирования воздуха тратятся значительные энергетические ресурсы.

Расстояния, на которые передается тепловая энергия, обычно составляют: для горячей воды — от нескольких километров до десятков километров, для пара — от несколько сотен метров до нескольких километров.

На практике приходится встречаться и с другими видами топливно-энер­гетических ресурсов. Существуют широкие планы использования в качестве энергоносителя водорода, который можно получать электролизом и при тер­мохимической обработке органического топлива. Водород — наиболее эколо­гически чистый вид топлива. Однако существует ряд серьезных проблем, свя­занных с его получением, транспортировкой и использованием при соблюдении всех требований безопасности. Наиболее важной из них явля­ется проблема получения дешевого водорода.

Ведутся совместные работы специалистов разных стран по решению проб­лемы управляемого термоядерного синтеза.

Человечество находится в состоянии постоянного поиска новых видов энергетических ресурсов, путей снижения стоимости их добычи, переработки, транспортировки, а также эффективного использования.

Условное топливо. Нефтяной эквивалент

Различные виды органического топлива, используемые для энергообеспе­чения потребителей, при сжигании единицы объема или массы выделяют различное количество теплоты. Количество теплоты, выделяющееся при

полном сгорании 1 кг твердого или жидкого либо 1 м газообразного топ­лива, называюттеплотой сгорания топлива (теплотворной способностью) топлива. Поскольку один и тот же объем газов при различных температурах и давлениях будет иметь разную массу, то теплота сгорания газов измеряется

в мегаджоулях (либо в гигакалориях) на 1 м газа, взятого при нормальных

условиях* (р = 760 мм рт. ст., t = 0 °С), т.е. на 1 нм . В ряде случаев расчет

теплоты сгорания газового топлива ведется на 1м при других условиях: р = 760 мм рт. ст., t = 20 °С. В этом случае низшая теплота сгорания

На практике теплота сгорания чаще всего определяется эксперименталь­ным путем. Для топлива известного химического состава ее можно прибли­женно вычислить по таким формулам, как, например, известная формула Д.И. Менделеева.           

Максимальное количество теплоты, которое можно получить в резуль­тате химической реакции горения топлива, называютвысшей теплотой сгорания топлива .

*Далее везде объем газа при определении теплоты сгорания приводится к нормальным условиям

Низшая теплота сгорания топливаотличается от высшей на коли­чество теплоты, которое затрачивается на испарение воды, содержащейся в топливе, а также образующейся в результате химической реакции горения топлива.

Поскольку теплота, затраченная на испарение влаги, чаще всего удаляется из энергетических установок в виде паров с дымовыми газами, то она редко полезно применяется на практике. Поэтому в теплотехнических расчетах обычно используется низшая теплота сгорания топлива.

Для сопоставления энергетической ценности различных видов топлива и сравнения суммарного потребления энергоресурсов объектами с различной структурой энергетического баланса введено понятиеусловного топлива.В качестве условного принимается топливо, которое имеет низшую теплоту сгорания 29,33 МДж/кг (7000 ккал/кг). Введение понятия условного топлива позволяет, например, сопоставить энергетические затраты двух различных регионов страны, не уточняя какое количество тех или иных конкретных видов топлива сжигается в этих регионах. Энергетический баланс промыш­ленного предприятия или другого потребителя топливно-энергетических ресурсов (ТЭР), использующего несколько энергоносителей, удобно для анализа также представить в пересчете на условное топливо. Зная теплоту сгорания любого вида топлива, можно определить его эквивалент в услов­ном топливе:

где — массовый эквивалент z-го вида топлива в условном топливе, кг; — масса, кг, и теплота сгорания, МДж/кг, i-го вида топлива.

Экономию всех видов энергии также удобно представлять в тоннах условного топлива (т у.т.). Различные марки угля, мазута и других видов топлива имеют разную низшую теплоту сгорания. Для оценок можно при­нять, что 1 т у.т. эквивалентна: 1,2 —1,8 т каменного угля; 1,8 — 3,2 т бурого угля; 0,70 — 0,75 т мазута; 0,8 — 0,9 тыс. м³ природного газа.

Низшая теплота сгорания различных видов топлива и коэффициенты пересчета на условное топливо представлены в табл. 1.2 —1.4.

Другой универсальной мерой потребления топлива и энергии является нефтяной эквивалент. Это понятие чаще встречается в зарубежной литера­туре. За нефтяной эквивалент принята 1 т топлива с теплотой сгорания 10 000 ккал/кг (41,9 МДж/кг) [5], близкой к теплоте сгорания сырой нефти, которая составляет 10430— 11026 ккал/кг (43,7—46,2 МДж/кг). Выбор чис­ленного значения нефтяного эквивалента обусловлен желанием обеспечить удобство в расчетах. При этом 1 т в нефтяном эквиваленте соответствует 1,43 т условного топлива. Зная теплоту сгорания, легко выразить любое количество другого топлива в нефтяном эквиваленте. Например, 1£Ю0 м природного газа с низшей теплотой сгорания 35,2 МДж/м³ эквивалентна 0,84 т в нефтяном эквиваленте.

Таблица 1.3

Таблица 1.4

Низшая теплота сгорания газообразного топлива

Первичное условное топливо

При анализе энергопотребления региона или конкретного объекта обычно не принимаются во внимание затраты энергии на добычу топлива, его транспортировку потребителю, подготовку или переработку. Поэтому помимо понятия условного топлива вводится понятиепервичного условного топ­лива, в котором учитываются ранее указанные затраты энергии, с единицей измерения «тонна первичного условного топлива» (т п.у.т.) [6].

С помощью перевода в первичное условное топливо всех составляющих энергопотребления предприятия можно определить фактические затраты топлива в стране для обеспечения работы предприятий.

Сущность понятия первичного условного топлива очевидна из следую­щего примера. Допустим, используют 1 т мазута, что соответствует 1,32 т условного топлива. При этом для добычи, транспортировки нефти и получе­ния мазута уже было затрачено некоторое количество энергетических ресур­сов (электричества, котельно-печного и моторного топлива). Эти дополни­тельные энергоресурсы можно выразить в условном топливе.

С учетом изложенного общие затраты энергии в среднем по стране при использовании 1 т мазута будут больше. Как показывают результаты прове­денных специалистами расчетов, дополнительные затраты при использова­нии количества мазута, эквивалентного 1 т у.т., составят 107 кг у.т. Тогда затраты топлива в среднем по стране при использовании 1 т мазута составят

1,32 • 1,107 = 1,46 т п.у.т. Это число и представляет собой затраты первич­ного условного топлива.

В случае производства тепловой энергии учитывают не только дополни­тельные затраты на добычу, транспортировку и подготовку топлива, но и потери при сжигании топлива в котельной установке, при транспортировке теплоносителей по тепловым сетям.

Затраты первичного условного топлива при производстве электрической энергии включают в себя также необратимые потери при преобразовании электрической энергии в тепловую, т.е. вычисляются с учетом КПД электри­ческой станции. Сравнение затрат первичных и производственных энергоре­сурсов на выработку 1 т у. т. различных видов топлива приведено на рис. 1.5.

Затраты первичного условного топлива на выпуск продукции — это сум­марные затраты первичных энергетических ресурсов с учетом затрат на добычу, транспортировку, подготовку самих энергоресурсов, а также их потерь при преобразовании в другие виды энергии.

Затраты первичного условного топлива могут быть рассчитаны на еди­ницу энергоресурса (например, на 1 т мазута, как это показано в табл. 1.5), или на 1 т условного топлива данного энергоресурса (например, на количество мазута, соответствующее 1 т у.т.).

Покажем, из чего складываются приведенные выше коэффициенты [6].

На добычу 1 тыс. м газа в среднем по стране расходуется 0,6 кВт • ч элект­роэнергии, 0,0057 Гкал тепловой энергии и 5,5 кг у.т. котельно-печного топлива. В пересчете на условное топливо на добычу 1 тыс. м газа затрачивается 7 кг у.т. На переработку 1 тыс. м газа расход ТЭР составляет 16,9 кг у.т., в том числе электроэнергии — 14,5 кВт • ч тепловой энергии — 0,023 Гкал и котельно-печного топлива — 6,5 кг у.т. Всего же с учетом транспортировки для полезного использования 1 тыс. м природного газа необходимо затратить 1,35 т условного топлива. Это и есть затраты первичного условного топлива при полезном использовании 1 тыс. м природного газа.

Рис. 1.5. Сравнение затрат первичных энергоресурсов на выработку 1 т у. т. различных видов топлива:           

1 — энергетический уголь (с теплотой сгорания 18,4 МДж/кг); 2 — мазут; 3 — природный газ; 4 — тепловая энергия при централизованной выработке на предприятии; 5 — тепловая энергия при выработке в жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ);6 — электроэнергия

Таблица 1.5

Перевод котельно-печного, моторного топлива и энергии в первичное условное топливо [5]

При использовании угля в качестве котельно-печного топлива наиболь­шие энергозатраты приходятся на его добычу: электроэнергии — 32,4 кВт • ч, тепловой энергии — 0,0265 Гкал и котельно-печного топлива — 26,5 кг у.т. в расчете на 1 т угля. Кроме того, энергия расходуется при обо­гащении угля, а также при его перевозке железнодорожным, автомобильным и речным транспортом. Суммарный расход первичного топлива на все перечисленные нужды в расчете на 1 т энергетического угля составляет 0,655 т п.у.т.

Коэффициенты пересчета потребленного котельно-печного топлива, выраженного в условном топливе, на первичное для 1 ту.т. составляют: для мазута — 1,107 т п.у.т.; для газа — 1,167 т п.у.т; для энергетического угля — 1,065 т п.у.т. В среднем в 1995 г. для полезного потребления 1 т котельно- печного топлива необходимо было добыть 1,134 т п.у.т., т.е. усредненный коэффициент пересчета составлял 1,134 [6].

Пример 1.1. Промышленное предприятие в течение года потребляет: природного газа

Мазута

угля

Определите потребности предприятия в условном и в первичном условном топливе.

Решение. Для определения расхода энергии в первичном условном топливе следует пересчитать расходы топлива, выраженные в натуральных единицах, на условное топливо:

Используя коэффициенты пересчета различных видов топлива, выраженных в условных единицах, на первичное условное топливо, получим

Понятие первичного условного топлива позволяет определить, использо­вание какого вида энергетических ресурсов в конечном счете выгоднее по суммарным энергетическим затратам.

Пример 1.2. Допустим, получение одного и того же количества продукции возможно с помощью применения двух различных технологических процессов. В первом случае для производства используется 1,59 т энергетического угля

( ⁼ 18,4 МДж/кг), во втором — 880 м³ природного газа ( = 33,3 МДж/м³).

Если перевести эти расходы на условное топливо, получим, что в том и в дру­гом случае для выработки продукции требуется 1 т у.т. Однако условное топливо не позволяет учесть дополнительные затраты на выработку энергоресурсов. Рас­считаем затраты в первичном условном топливе, использовав коэффициенты перерасчета из табл. 1.5. Затраты составят соответственно: при использовании энергетического угля

1,59^.0,655 = 1,042 т п.у.т.; при использовании природного газа

880^.1,35 = 1,188 т п.у.т. Очевидно, что суммарные затраты в первом случае меньше.

Однако при выборе вида энергоресурсов приходится учитывать не только суммарные затраты первичной энергии, но и экономические, экологические, технологические факторы, а также показатели надежности, безопасности и удобства эксплуатации оборудования.

При выполнении сравнительных расчетов нужно помнить, что приведен­ные выше числа являются средними и не учитывают условий добычи, транс­портировки и преобразования энергетических ресурсов на конкретных пред­приятиях.

Топливно-энергетических ресурсов

На практике постоянно возникает необходимость переводить одни энер­гетические единицы в другие, находить соответствующие им значения в единицах условного топлива, первичного условного топлива, нефтяном эквиваленте.

Как известно, существует тепловой эквивалент механической работы, позволяющий сопоставлять затраты тепловой, механической и электриче­ской энергии: 1 кал теплоты может быть получена при переводе в теплоту 4,19 Дж механической энергии. Перевод различных энергетических единиц нетрудно провести, использовав приведенные выше данные по теплоте сго­рания различных видов топлива.

В России тепловая энергия чаще всего измеряется в гигакалориях (10⁹ калорий), а электрическая энергия — в киловатт-часах. Эти единицы измерения используются при финансовых расчетах между поставщиками и потребителями энергоресурсов. Соотношения между единицами энергии приведены в табл. 1.6.

Кроме единиц, указанных в табл. 1.6, в зарубежных странах широко используются также британская тепловая единица Btu, и метрическая тепловая единица Mtu, связанные с общепринятыми единицами измерения энер­гии следующим образом: 1 Btu = 0,252 ккал = 1,055 кДж; 1 Mtu = 1,8 Btu = 0,453 ккал = 1,9 кДж.

Необходимо различать теоретический эквивалент электрической энергии и теплоты в условном топливе (см. табл. 1.6) и реальные затраты условного топлива, необходимые на их выработку.

При пересчете первичных энергоресурсов на произведенные (например, различных видов топлива на тепловую или электрическую энергию) и наоборот, необходимо иметь в виду, что реальный процесс преобразования осуществляется с необратимыми потерями энергии.

Предприятие может получать тепловую и электрическую энергию от внеш­них источников, например электрическую энергию из энергосистемы. Тогда при расчете энергопотребления предприятия мы должны использовать

Таблица 1.6

Соотношения между различными единицами энергии

для перевода электроэнергии в условное топливо не теоретический эквива­лент, а затраты условного топлива в энергосистеме на получение данного количества электрической энергии (см. пример 4.4. в гл. 4). Электростанции, входящие в состав энергосистемы, используют различные виды топлива и имеют разные КПД. Поэтому для получения единицы электроэнергии на этих электростанциях требуется затратить различное количество топлива, которое определяется для каждой энергосистемы. Аналогично при исполь­зовании на предприятии тепловой энергии, полученной в энергосистеме, требуется знать, сколько топлива затрачено для ее производства, поскольку при этом также существуют потери. Таким образом, при вычислении энерго­потребления объекта в условном топливе нужно использовать данные энер­госистемы, а если их нет — то средние по стране значения. При этом

где— массовые эквиваленты теплоты и электрической энергии в условном топливе, т; — теплота, Ткал, и электрическая энергия, тыс. кВт • ч;

 — удельные расходы условного топлива на выработку единицы теплоты, т у.т/Гкал, и

электрической энергии, т у.т/(тыс. кВт • ч).

В среднем по стране на выработку 1000 кВт • ч электроэнергии требуется b_э = 0,3445 т условного топлива, а на выработку 1 Ткал теплоты требуется b_Q = 0,1486 кг условного топлива [5]. Эти удельные расходы соответствуют средним по стране КПД при производстве электрической и тепловой энер­гии. При переводе в условное топливо электроэнергию, полученную на гидро- и атомных электростанциях, а также при использовании нетрадици­онных и возобновляемых источников энергии, предполагается, что эта элек­троэнергия выработана на тепловых электростанциях со средним по стране расходом топлива на выработку электроэнергии 344,5

г у.т/(кВт • ч).

При получении тепловой или электрической энергии на самом предпри­ятии для определения затрат расходуемого топлива используется удельный расход топлива на единицу выработанной энергии, взятый для конкретной энергетической установки.

Контрольные вопросы

1. Назовите топливно-энергетические ресурсы, которые можно отнести к первичным и которые нельзя отнести к первичным.

2. Назовите ориентировочные значения теплоты сгорания различных видов органи­ческого топлива.

3. Какие из нетрадиционных и возобновляемых энергетических ресурсов с Вашей точки зрения наиболее перспективны для использования в энергетике России?

4. Равна ли высшая теплота сгорания низшей при сжигании сухого угля и сухого газа?

5. Какие виды ресурсов относятся к моторному топливу?

6. Для каких целей используется тепловая энергия в промышленности и жилищно-коммунальном хозяйстве?

7. Какая часть получаемой в России электрической энергии вырабатывается на атомных электростанциях?

8. В каких единицах измеряется теплота сгорания газообразного топлива?

9. Что является основным производителем тепловой энергии в России — ТЭЦ или котельные?

10. Назовите основные виды вторичных энергетических ресурсов.

11. Для чего вводятся понятия «условное топливо», «первичное условное топливо»?

12. Поясните разницу между понятиями «ядерное топливо» и «ядерное горючее».

13. Поясните особенности взаимного перевода энергетических единиц первичного топлива, тепловой и электрической энергии.

Глава 2

Динамика топливно-энергетического баланса и показатели потребления энергоресурсов в России и в мире

Структура мирового энергетического баланса

Рост населения Земли, энерговооруженности труда, затрат энергии в быту и в общественной жизни сопровождается увеличением мирового потребления энергоресурсов. В 2008 г. мировое потребление энергии соста­вило 15,7 млрд т у.т. Средний темп роста мирового потребления энергии в период 1995 — 2005 гг. составил 2,5 % в год [1]. Таким образом, оно может возрасти к 2020 г. до 20—21 млрд т у.т. в зависимости от темпов роста мировой экономики. При этом, по данным Международного энергетиче­ского агентства, мировое потребление первичных энергетических ресурсов на душу населения уже в течение 25 лет остается практически постоянным и составляет 2,3 — 2,5 т у.т/(чел. • год) (рис. 2.1).

Ежегодное увеличение темпов добычи энергоресурсов в целом и по отде­льным энергоносителям (нефть, газ, уголь и др.) наблюдалось в мире до начала энергетического кризиса 1973—1974 гг.

Рис. 2.1. Динамика мирового коммерческого потребления энергии Е и потребления энергии на душу населения е

В последнее десятилетие темпы роста потребления энергетических ресурсов в промышленно разви­тых странах имеют тенденцию к снижению.

Средний ежегодный прирост потребления в мире за это время составил 1,7 % в год, в США — 0,4 %, а в странах Западной Европы — 0,25 % [2]. В этих странах некоторое увеличение количества потребляемой энергии сопровождается существенно более рациональным ее использованием. Это результат эффективной энергетической политики государств, направленной на экономическое стимулирование энергосбережения, внедрение новых тех­нологий, активную информационную работу, связанную с воспитанием общества в духе рационального использования энергии.

Значительная часть промышленно развитых стран недостаточно обес­печена энергоресурсами. Характеристикой тому служиткоэффициент обес­печенности К_о6, представляющий собой отношение количества первичных энергоресурсов, производимых в стране, к количеству энергоресурсов, потребляемых этой страной (рис. 2.2) [3].

Характерной чертой современного этапа развития мировой энергетики является быстрый рост цен на основные виды органического топлива, свя­занный с ростом их мирового потребления, усложнением условий добычи, глобальной политической и экономической нестабильностью. Повышение цен на основные виды органического топлива в Европе за период 2000— 2005 гг. составило: на нефть — в 2,5 раза; на природный газ (трубопровод­ный) — в 1,9 раза; на уголь — в 1,7 раза [1]. Рост цен на нефть и нефтепро­дукты особенно в последние годы являлся доминирующим. В результате мирового экономического кризиса и вызванного им временного падения про­изводства, темпы снижения цен на нефть также стали выше, чем на другие виды топлива (рис. 2.3).

Быстрый рост цен на энергоносители, отсутствие достаточного количе­ства собственных энергоносителей и конкуренция производителей товаров на мировом рынке служат стимулом для проведения энергосберегающей политики. После энергетического кризиса 70-х годов прошлого века прово­димая промышленно развитыми этими странами энергетическая политика позволила многим из них заметно увеличить самообеспеченность энергоре­сурсами (см. рис. 2.2).

Рис. 2.2. Динамика самообеспеченности энергоресурсами стран «восьмерки» (данные ГУ «Институт энергетической стратегии»)

Рис. 2.3. Изменение среднемесячной цены на нефть марки Brent на мировом рынке в период 1998—2009 гг.

Другим важным стимулом энергосбережения для этих стран является необходимость сокращения выбросов парниковых газов, в первую очередь диоксида углерода, вызывающих глобальное потеп­ление.

В мире наблюдается увеличение неравномерности развития различных регионов по производству и потреблению энергоресурсов. Страны Западной Европы, а также такие страны, как США, Япония, занимая менее 10 % тер­ритории, при населении менее 20 % производят более 50 % мирового про­мышленного продукта, почти 65 % электроэнергии и потребляют более 55 % природных энергетических ресурсов (рис. 2.4).

Основным потребителем энергоресурсов в мире являются США, которые потребляют около четверти (точнее, 22,1 % в 2005 г.) всей производимой в мире энергии.

В 2005 г. Китай потреблял 14,7 % произведенной в мире энергии. Ожида­ется, что в течение ближайших 10 лет Китай станет лидером мирового энергопотребления. Другими крупными потребителями энергии являются Рос­сия, Япония и Индия (соответственно 6,4, 5,0 и 3,7 % мирового энергопотребления).

Как показывают прогнозы экспертов Европейской комиссии и Института энергетических исследований РАН на предстоящие 20 лет, в ближайшее время рост Мирового энергопотребления будет вызван быстрыми темпами экономического развития стран Латинской Америки и Юго-Восточной Азии, в первую очередь Индии и Китая (рис. 2.5).

В структуре мирового топливно-энергетического баланса на настоящий момент доминирующую роль играет органическое топливо: нефть (31 %), уголь (26 %) и газ (24 %). В мировом энергетическом балансе по прогнозу Международного энергетического агентства (МЭА) в ближайшие десятиле­тия сохранится преобладание органических видов топлива, хотя будет наблюдаться заметный рост доли возобновляемых и нетрадиционных источ­ников энергии.  Наметилась устойчивая тенденция к снижению доли нефти как в миро­вом потреблении энергии, так и в потреблении большинства стран. Заме­щение этого энергоносителя происходит за счет увеличения потребления газа и электроэнергии, произведенной на ГЭС и АЭС. Тем не менее роль нефти останется значительной из-за развития автомобильного транспорта (особенно в странах с переходной экономикой) и авиаперевозок. В связи с удорожанием нефти создаются проекты использования сжиженного газа, биотоплива из сельскохозяйственных продуктов в качестве замены бензина.

Наблюдается рост потребления газа в быту как наиболее чистого органи­ческого топлива.

Характер дальнейших изменений в структуре мирового топливно-энергетического баланса и прогнозы на ближайшую перспективу приведены в табл. 2.1. Исходя из прогнозов, нефть и газ будут доминировать в энерге­тическом балансе еще несколько десятилетий.

Ожидается, что доля угля в мировом потреблении органического топлива в ближайшие годы будет возрастать. Это связано с тем, что запасы угля существенно больше постепенно сокращающихся мировых запасов нефти и газа. В 2005 г. рост потребления угля в мире составил 5 % относительно 2004 г.

Рис. 2.4. Потребление энергоресурсов в регионах мира (данные 2005 г.):

1 — страны Азиатско-Тихоокеанского региона; 2 — Европа и страны СНГ; 3 — Северная Америка; 4 — страны Среднего Востока и Африка; 5 — Южная и Центральная Америка

Рис. 2.5. Темпы роста энергопотребления в различных странах и регионах за период 2000— 2005 г.:

1 — Китай; 2 — страны Юго-Восточной Азии (в том числе Индия и Китай); 3 — Индия; 4 — Центральная и Южная Америка; 5 — Россия; 6 — Евросоюз; 7 — США.

Следует ожидать постепенного увеличения суммарных мощностей устано­вок, не использующих органическое топливо. Во многих государствах мира растут инвестиции в атомную энергетику, технологии использования нетради­ционных и возобновляемых источников энергии.

Таблица 2.1

Прогноз по структуре, %, мирового топливно-энергетического баланса до 2050 г.

* Фактические данные. ** Включая гидроэлектроэнергию.

Согласно решениям, приня­тым на Саммите ЕС в Брюсселе в марте 2007 г., доля нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в энергообеспечении стран ЕС должна достигнуть 20 % к 2020 г., что в совокупности с другими мерами позволит этим странам к 2020 г. сократить выбросы диоксида углерода на 20 %.

Одной из важных черт современного периода является расширение при­менения энергосберегающих технологий в мировой энергетике.

В России, как и в других странах СНГ, после резкого экономического спада в 90-е годы XX в. наблюдался устойчивый рост экономики, который сопровождался повышением потребления топливно-энергетических ресур­сов (рис. 2.5), и был прерван в результате мирового экономического кризиса 2009 г. В 2005 г., по данным Росстата, потребление первичных энергоресур­сов в России составило 964,4 млн т у.т. Россия занимает третье место в мире (после США и Китая) по количеству потребляемых энергоресурсов. Харак­терной чертой энергетики России является значительная доля экспорта, которая в 2000 г. составляла 57 % всех потребляемых или 36 % всех произ­водимых в стране первичных энергоресурсов.

Прогноз изменения энергетического баланса России отражен в Энергети­ческой стратегии до 2020 г. [4] и в проекте Энергетической стратегии до

2030 г. (ЭС — 2030), одобренной Правительством РФ в августе 2009 г. »

Динамика производства, внутреннего потребления и экспорта первичных энергоресурсов на период до 2020 г. представлена на рис. 2.6. В структуре экспорта дол![ углеводородов должна сохраниться на современном уровне (88 — 90 %), при этом доля жидких углеводородов снизится с 55 до 48 — 49 %, а доля газа возрасти с 33 до 39 — 40 %.

Рис. 2.6. Производство и потребление первичных топливно-энергетических ресурсов на период 1990—2020 гг. [4]

Таблица 2.2

Структура потребления первичных энергоресурсов в России, США, странах ЕС и мире

(данные 2005 г. [1])

Структура топливно-энергетического баланса России существенно отли­чается от общемировой (табл. 2.2). Для нее характерны значительно мень­шая доля нефти и угля и существенно большая доля природного газа.

Тенденции изменения топливно-энергетического баланса России также отличаются от общемировых. Ожидается, что в структуре потребления ТЭР доля углеводородов снизится с 71 до 65 %, а доля нетопливных энергоносите­лей (атомной и гидроэнергетики, нетрадиционных и возобновляемых источ­ников энергии) возрастет с 11 до 16—17%. Доля потребления природного газа как в энергетике, так и в промышленности будет постепенно умень­шаться и составит 42—45 % (табл. 2.3). При этом обеспечение поставок газа для строящихся электростанций при выполнении обязательств по его экс­порту является одной из ключевых проблем отечественной энергетики.

Все большую роль будет играть уголь, запасы которого в России доста­точно велики. Рост цен на природный газ даст стимул для развития угольной энергетики. Это потребует освоения новых технологий подготовки, перера­ботки и сжигания этого вида топлива. В настоящее время Россия в области угольных технологий отстает от экономически развитых стран.

Доля нефти и нефтепродуктов в энергетическом балансе должна незначи­тельно увеличиться, но при этом должна измениться структура их потребления. Происходит существенное сокращение использования мазута в качестве топ­лива для тепловых электростанций. С 1990 по 2006 г. его доля в общем рас­ходе топлива ТЭС снизилась с 12,3 до 3,0 % [1]. В то же время наблюдается существенный рост потребления нефтепродуктов в качестве моторного

Таблица 2.3

Прогноз поэтапного изменения структуры потребления ТЭР, %, согласно Энергетической стратегии России на период до 2030 г.

* Фактические данные

топлива. Планируется улучшить качество производимых нефтепродуктов ^ри одновременном повышении эффективности переработки нефти.

В ЭС-2030 поставлена задача по развитию атомной энергетики с доведе­нием производства электроэнергии на АЭС до 25 % суммарного ее производ­ства в России. Реализация этого проекта связана с серийным освоением АЭС с реакторами на быстрых нейтронах на уран-плутониевом топливе с созданием промышленности полностью замкнутого ядерного топливного цикла.

Дальнейшее развитие получит гидроэнергетика. Производство электро­энергии на ГЭС (в основном в Сибири и на Дальнем Востоке) будет увели­чено почти в 1,9 раза.

В настоящее время получает развитие малая энергетика, объекты которой могут стать важным дополнением к основным генерирующим мощностям и сыграть существенную роль в ряде регионов. Предполагается расширение использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, доля которых в энергобалансе России недостаточна.

Важнейшим показателем рационального использования энергии является энергоемкость внутреннего валового продукта, представляющая собой отно­шение затраченной в стране энергии, выраженной в тоннах условного топлива, к внутреннему валовому продукту (ВВП), выраженному в долларах США.

Удельная энергоемкость валового продукта в 2000 г. в мире составила 340 кг у.т. в расчете на 1000 долл. США. За последние 15—20 лет энергоем­кость внутреннего валового продукта в большинстве индустриально разви­тых стран мира снизилась, тогда как по егоэлектроемкости (отношению затраченной в стране электроэнергии к ВВП) во многих странах проявилась тенденция к росту. В России из-за глубокого экономического кризиса энер­гоемкость внутреннего валового продукта не снижалась, а увеличивалась. За период 1990—1998 гг. ее рост составил 18 % [4].

Как предполагают эксперты Европейского союза, энергоемкость мировой экономики к 2020 г. сократится почти на четверть. При этом самой энерго­эффективной останется экономика Японии и стран Европейского союза, тогда как наиболее энергорасточительной будет по-прежнему экономика стран СНГ. Россия по этому показателю в настоящее время отстает не только от развитых стран, но и от среднемирового уровня (табл. 2.4).

Однако нельзя считать этот критерий единственной и абсолютной харак­теристикой эффективности использования энергии. На энергоемкость ВВП влияют следующие факторы:

структура ВВП, т.е. доля доходов от высокотехнологичных производств (например, микроэлектроники, приборостроения, авиастроения, разработки программного обеспечения и др.), доля доходов от услуг (например, туризм); климатические условия страны, которые определяют затраты на тепло­снабжение как населения, так и промышленных потребителей;

Таблица 2.4

Показатели потребления энергетических ресурсов в различных странах (по данным Всемирного банка, 2003 г. (5])

энергетическое совершенство используемых технологических процессов, технологическая культура, использование экономических стимулов для энер­госбережения и др.

Из табл. 2.4, например, видно, что низкую энергоемкость ВВП имеют такие страны, как Бангладеш и Филлипины, экономика которых существенно отстает от экономики стран Европы и США. Высокая энергоемкость ВВП России частично объясняется суровыми климатическими условиями и струк­турой экономики, ориентированной на энергоемкие производства.

По климатическим условиям затраты топлива как на обеспечение населе­ния теплом, так и на выпуск продукции в России наиболее высоки. Россия опережает все страны мира как по длительности отопительного периода,, так и по доле населения, проживающего в областях, где наблюдается отрица­тельная среднегодовая температура. Обогрев, снабжение горячей водой и теплым вентиляционным воздухом каждого жителя России требуют боль­ших затрат топлива, чем в Канаде и Скандинавии. Больших затрат энергии требует обогрев общественных зданий и промышленных предприятий. Потери тепловой энергии при передаче ее по тепловым сетям в России в несколько раз превышают аналогичные показатели в странах Европы. Добываемое в холодное время года природное топливо и сырьевые ресурсы имеют более низкую температуру, что приводит к большим затратам энер­гии в технологических процессах.

Кроме энергоемкости ВВП важное значение для оценки уровня использо­вания энергии имеют также потребление энергетических ресурсов на душу населения и доля электрической энергии в общем энергетическом балансе. Высокое потребление энергии на душу населения связано с развитым про­мышленным производством и энерговооруженностью труда. Высокая доля электроэнергии в общем энергетическом балансе свидетельствует о ее широком потреблении в промышленности, автоматизации значительного объема производственных процессов. По этому показателю Россия также отстает от промышленно развитых стран (см. табл. 2.4). О качестве исполь­зования энергетических ресурсов в стране можно судить только по совокуп­ности указанных факторов.

Для объективной оценки эффективности использования энергии также необходимо сравнить КПД выработки тепловой и электрической энергии в стране, потери при ее транспортировке, энергоемкость производства различ­ных* видов продукции, а также эффективность использования теплоты ком­мунальными потребителями.

Значительная часть электроэнергии в странах Европы вырабатывается на парогазовых электростанциях, имеющих КПД до 55 %. В России основ­ными производителями электроэнергии являются паротурбинные электро­станции, КПД которых составляет 30—35 % для электростанций малой и средней мощности и 40—43 % для электростанций большой мощности (с энергоблоками единичной мощностью 800—1200 МВт).

Превышение расходов ТЭР на единицу продукции в России по сравне­нию со среднемировыми показателями составляет: стальной прокат — в 1,5 — 2,0 раза, полимеры — в 1,5 — 3,0 раза, алюминиевый прокат — в 1,3 раза, огнеупоры — в 2 раза [6].

Расход тепловой энергии на обогрев зданий в 4—5 раз выше, чем в наибо­лее близких по климатическим условиям Финляндии и Норвегии. В несколько раз выше удельный фактический расход горячей воды у комму­нальных и промышленных потребителей.

Россия значительно отстает от западных стран по КПД теплоиспользующих установок и промышленных печей, степени использования вторичных энерге­тических ресурсов, материалоемкости промышленной продукции, потреблению топлива автомобилями и электроэнергии бытовыми приборами и др.

Таким образом, высокая энергоемкость внутреннего валового продукта в России лишь частично может быть объяснена более суровыми климатиче­скими условиями и ориентированной на энергоемкие производства структу­рой экономики. Имеется существенное отставание России от промышленно развитых стран в области эффективности использования энергии. Тем не менее в последние годы в России наблюдается заметное снижение удельной энергоемкости ВВП. За период 2000—2005 гг. оно составило 21,1 %, что свя­зано в основном с высокими темпами роста малоэнергоемких производств и сферы услуг.

Понятие энергосбережения, необходимость и пути его реализации

Энергосбережение — это реализация правовых, организационных, науч­ных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное (рациональное) использование и экономное расходование топливно-энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии [7].

Актуальность энергосбережения в России обусловлена следующими основными причинами:

необходимостью обеспечения устойчивых темпов развития экономики и конкурентоспособности отечественных товаров; потребностью обеспечения населения страны и ее хозяйственного комп­лекса необходимыми топливно-энергетическими ресурсами; важностью сохранения топливно-энергетических ресурсов для будущих поколений; необходимостью обеспечения экологической безопасности; большими, чем в других странах, затратами на обеспечение жизнеде­ятельности; усложнением условий добычи и транспортировки ТЭР; высокими затратами на ввод в действие новых энергетических объектов. Задачи государственной политики в области энергосбережения отражены в проекте Энергетической стратегии России на период до 2030 года. Энерго­сбережение следует рассматривать в двух аспектах.

Первый аспект состоит в структурной перестройке российской эконо­мики в пользу малоэнергоемких обрабатывающих отраслей, наукоемких производств (таких как производство медицинского оборудования, средств автоматизации, информационных технологий, авиационной и космической техники) и сферы услуг.

Второй аспект включает в себя реализацию потенциала организацион­ного и технологического энергосбережения, т.е. внедрение передовых тех­нологий, техническое перевооружение существующих производств, внедре­ние энергосберегающих мероприятий, позволяющих существенно снизить затраты энергии на выпуск единицы продукции.              

Согласно проекту ЭС-2030 перестройка структуры экономики и техноло­гические меры экономии энергии уменьшат энергоемкость внутреннего валового продукта в 2,1—2,3 раза к 2030 г. по отношению у уровню 2005 г.

При этом до половины прогнозируемого роста ВВП может быть получено за счет структурной перестройки экономики без увеличения затрат энергии, прирост еще в 20 % даст технологическое энергосбережение и около трети прироста внутреннего валового продукта потребует увеличения

расхода  расхода энергии (рис. 2.7) [4].

Экономия энергии неразрывна со сбережением ресурсов. На добычу руды и выплавку металла, на производство бумаги, ткани, пищевых продук­тов требуется значительное количество топлива, тепловой и электрической энергии. Важнейшим ресурсом, который необходимо экономить, является пресная вода, потребляемая в огромных количествах. В стоимость пресной воды входит значительная энергетическая составляющая (затраты энергии на перекачивание, очистку и др.). Экономия ресурсов во всех отраслях хозяйственной деятельности влечет за собой существенную экономию пер­вичного топлива.

Среди экономических мер, стимулирующих рациональное использование энергии, следует выделить обоснованное регулирование внутренних цен на энергоносители, создание дополнительных хозяйственных стимулов энерго­сбережения, превращающих его в эффективную сферу бизнеса.

В число мер, предусмотренных в [4], входят широкая популяризация государством эффективного использования энергии среди населения, массо­вое обучение персонала, пропаганда идей энергосбережения в средствах массовой информации.

Проведение энергосберегающих мероприятий должно сопровождаться их всесторонне анализом, который не должен ограничиваться технико-экономической оценкой эффективности этих мероприятий для одного конкретного потребителя энергии. Необходимо знать, как скажутся эти мероприятия на работе источника теплоты и других потребителей, а также систем тепло- и электроснабжения. В результате проведения этих мероприятий возможны такие негативные последствия, как работа генерирующих мощностей у источ­ников энергии на неноминальных режимах (с уменьшением КПД и срока службы), разбалансировка тепловых сетей и др. Одновременно необходимо рассматривать технологические, экологические, социальные последствия выполнения энергосберегающих мероприятий. Таким образом, вопросы энергосбережения необходимо рассматривать в комплексе, т.е. при их реше­нии необходим системный подход.

Рис. 2.7. Прогноз роста ВВП и энергопотребления России на период до 2020 г. и по отноше­нию к уровню 2000 г. [4]

Потенциал энергосбережения можно определить как количество энер­гетических ресурсов, которое может быть сокращено при выпуске одного и того же объема и перечня товаров и услуг неизменного качества за счет про­ведения самоокупаемых организационно-технологических мероприятий при заданных уровнях развития техники и цен на энергоносители.

Потенциал энергосбережения зависит от таких факторов, как состояние научно- технического прогресса, цены на оборудование и энергоносители, и меняется во времени.            *

Потенциал энергосбережения в начале XXI в. в России составляет около 45 % всей ежегодно потребляемой в настоящее время энергии илй¹«примерно 2/3 годового экспорта энергоносителей.

Оценки показывают, что за счет реализации освоенных в отечественной и мировой практике мер экономии энергоресурсов можно сократить потребле­ние энергии в России на 420 млн т условного топлива в год. Распределение, %, этого потенциала по отраслям хозяйственной деятельности России в 2008 г. приведено ниже:

Топливно-энергетический комплекс……………….. 36

Промышленность, строительство и сфера услуг……24

Транспорт………………………………………………………….. 13

Сельское хозяйство…………………………………………… 4

Жилищные здания и госучреждения……………….. 23

Всего…………………………………………………………………… 100

Примерно 20 % запланированной экономии энергии может быть полу­чено за счет проведения малозатратных и организационных мероприятий (при затратах до 20 долл. США на экономию 1 т у.т.).

Реализация остальной части потенциала энергосбережения потребует значительных инвестиций. Основная часть экономии (55 %) должна быть достигнута за счет внедрения современных технологических процессов. Еще 25 % экономии должны быть получены за счет проведения целенаправленной инвестиционной политики и совершенствования структуры производства.

Роль энергосбережения в развитии экономики и обеспечении энергетической безопасности страны

Развитие отечественной энергетики происходит в трудных условиях. Новые месторождения нефти и газа сосредоточены в отдаленных и трудно­доступных местах (Западная Сибирь, Заполярье, шельф Северного Ледови­того океана) и требуют больших затрат на их освоение и прокладку магистра­лей для транспортировки топлива. В результате затраты на освоение новых месторождений, добычу топлива, его транспортировку в России выше, чем в других нефтедобывающих странах — Иране, Мексике, Венесуэле, Брунее, странах Арабского Востока. В настоящее время затраты на экономию энер­гии в местах ее использования в 4—6 раз ниже, чем на добычу первичного топлива.

Происходит старение и уменьшение эффективности энергетического обо­рудования электростанций, котельных, тепловых сетей, теплоиспользующих установок. В течение последних десятилетий в России не происходило существенного обновления энергетического оборудования. К 2022 г. выра­ботают свой ресурс на 104 млн кВт (на 50 % мощности) действующие ТЭС и ГЭС, а к 2020 г. этот показатель вырастет до 150 млн кВт (до 70%). Наблюдается нехватка энергетических мощностей, в первую очередь в быстро развивающихся регионах.

Российская энергетика в современном состоянии не может обеспечить значительных темпов роста промышленного производства. Для обновления и реконструкции ее установок нужны огромные средства и значительное время. Частично выходом из этой ситуации является как можно более раци­ональное использование энергетических ресурсов.

В этих условиях возникают угрозы, связанные с обеспечением страны и отдельных регионов энергоресурсами нужного вида в необходимом коли­честве. В [4] введено понятие энергетической безопасности страны. Энерге­тическая безопасность является важнейшей составляющей национальной безопасности России.

Энергетическая безопасность — это состояние защищенности страны, ее граждан, общества, государства, экономики от угроз надежному топливо- и энергообеспечению. Эти угрозы определяются как внешними (геополити­ческими, макроэкономическими, конъюнктурными) факторами, так и состо­янием и функционированием энергетического сектора страны.

Как отмечается в [4], «Диспропорции в топливо- и энергообеспечении отдельных регионов России становятся «хронической болезнью» (неудов­летворительное состояние коммунальной энергетики, сбои в теплоснабже­нии и др.), что реально угрожает энергетической безопасности регионов. Проблема усугубляется географией размещения запасов первичных энерго­ресурсов, производства нефтепродуктов и электроэнергии по регионам страны, недостаточностью мощностей линий электропередачи, связываю­щих Дальний Восток, Сибирь и европейскую часть страны».

Целью политики энергетической безопасности является последователь­ное улучшение ее следующих главных характеристик [4]:

способности топливно-энергетического комплекса (ТЭК) надежно обес­печивать экономически обоснованный внутренний и внешний спрос энерго­носителями соответствующего качества и приемлемой стоимости;

способности потребительского сектора экономики эффективно использо­вать энергоресурсы, предотвращая тем самым нерациональные затраты общества на свое энергообеспечение и дефицитность топливно-энергетического баланса;

устойчивости энергетического сектора к внешним и внутренним эконо­мическим, техногенным и природным угрозам, а также его способности минимизировать ущерб, вызванный проявлением различных дестабилизиру­ющих факторов.

Важнейшими принципами обеспечения энергетической безопасности явля­ются [4]:

гарантированность и надежность энергообеспечения экономики и населе­ния страны в полном объеме в обычных условиях и в минимально необходи­мом объеме при угрозе возникновения чрезвычайных ситуаций различного характера;

контроль со стороны государства, федеральных органов исполнительной власти и местных органов управления за надежным энергоснабжением объ­ектов, обеспечивающих безопасность государства;

восполняемость исчерпаемых ресурсов топлива (темпы потребления этих ресурсов должны согласовываться с темпами освоения замещающих их источников энергии);

диверсификация используемых видов топлива и энергии (экономика не должна чрезмерно зависеть от какого-либо одного энергоносителя);

учет требований экологической безопасности (развитие энергетики должно соответствовать возрастающим требованиям охраны окружающей среды);

предотвращение нерационального использования энергоресурсов (взаимо­связь с политикой энергетической эффективности);

создание экономических условий (прежде всего за счет налоговых и таможенных мер), обеспечивающих равную выгоду поставок энергоресурсов на внутренний и внешний рынки и рационализацию структуры экспорта;

максимально возможное использование во всех технологических процес­сах и проектах конкурентоспособного отечественного оборудования.

Для обеспечения энергетической безопасности необходимо решение двух первоочередных проблем.

Во-первых, необходимо осуществить модернизацию во многом устарев­шей морально и физически изношенной технологической базы ТЭК и обес­печить воспроизводство его вырабатываемой ресурсной базы (обычно в новых регионах и худших природно-геологических условиях). Предусмат­ривается, что из-за ограниченности инвестиций (кроме нефтяной отрасли) будет осуществляться в первую очередь технологическая модернизация существующих производственных мощностей (с учетом продления сроков их службы), а в дальнейшем будут проводиться их коренная реконструкция и создаваться новые мощности с использованием лучших отечественных и соответствующих нашим условиям зарубежных технологий.

Во-вторых, потребуется изменение структуры потребления и размещения производства топливно-энергетических ресурсов. Предусмотрены сокраще­ние доли природного газа в энергетическом балансе страны, увеличение пот­ребления атомной и гидроэнергии, угольной продукции и использования возобновляемых источников, а также разработка новых месторождений угле­водородного сырья в различных регионах страны (Восточная Сибирь и Даль­ний Восток, Европейский Север и Прикаспийский регион).

Удовлетворить возрастающую потребность в энергоресурсах можно двумя способами:

за счет освоения новых месторождений, строительства трубопроводов и линий электропередачи, ввода новых генерирующих мощностей;

за счет более рационального использования энергетических ресурсов существующими потребителями.

Рациональное использование энергии является важным фактором, обес­печивающим энергетическую безопасность страны, и средством ее экономи­ческого развития.

Недостаточная эффективность использования энергии приводит к высо­койэнергетической составляющей в себестоимости отечественных това­ров и услуг — доли себестоимости продукции предприятия на приобретение и использование топливно-энергетических ресурсов. Это делает многие из них неконкурентоспособными не только на мировом, но часто и на внутрен­нем рынке. Для того чтобы обеспечить конкурентоспособность производ­ства, подъем экономики и уровня жизни населения, необходимо снижать затраты энергии на единицу продукции и ее потери в коммунальном хозяй­стве. Известно, что в России каждый процент экономии топлива и энергии может дать 0,35—0,40 % прироста национального дохода [8].

Проведение энергосберегающих мероприятий обходится намного дешевле ввода в действие новых энергетических мощностей и быстро окупа­ется. Можно наращивать добычу топлива и выработку энергии, затрачивая большие средства, загрязняя окружающую среду, но при этом непроизводи­тельно терять значительную часть полученной энергии, как говорится, чер­пать воду решетом. Без перевода экономики на путь развития, основанный на эффективном использовании топливно-энергетических ресурсов, Россия никогда не сможет в стать в ряд промышленно развитых стран.

Существует тесная взаимосвязь между ростом производства энергии и загрязнением окружающей среды. Основная доля энергии вырабатывается при сжигании органического топлива. При сжигании различных видов топ­лива в атмосферу с отходящими газами попадают вредные вещества, такие как оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, полициклические ароматиче­ские углеводороды, пылевые выбросы. Существующие методы очистки не могут полностью избавить от негативных последствий выбросов. Выбросы в атмосферу продуктов сгорания приводят не только к прямому токсическому и канцерогенному воздействию на организмы живых существ, но и к гло­бальным экологическим проблемам: парниковому эффекту, разрушению озонового слоя атмосферы, кислотным осадкам. Наибольшую озабочен­ность вызывает то, что накопление углекислого газа и других многоатомных газов (метана, диоксида азота) в атмосфере приводит к возникновению пар­никового эффекта и глобальному потеплению климата с возможными ката­строфическими последствиями. Выбросы углекислого газа выросли более чем в 3 раза по сравнению с уровнем 1950 г. и ежегодно увеличиваются. Международное сообщество пытается принимать меры по ограничению выбросов парниковых газов. Результатом этих усилий стал Киотский прото­кол, устанавливающий квоты выбросов парниковых газов для стран-уча- стников.

Одновременно с загрязнением воздушной среды происходит загрязнение гидросферы. На долю ТЭК приходится 45 % общего водопотребления Рос­сии и 27 % сброса загрязненных сточных вод в поверхностные водоемы.

При этом электрические станции сбрасывают примерно 1 млрд м³ хими­чески загрязненной воды ежегодно [8].  

Энергетика — главный источник теплового загрязнения окружающей среды. В зависимости от типа тепловой электростанции и от того, осуществляется ли на ней комбинированная выработка тепловой и электрической энергии, количество теплоты, поступающей в окружающую среду, составляет 10— 70 % теплоты, полученной при сжигании топлива. При работе котельных установок этот показатель составляет 10 — 30 %. Эта теплота выбрасывается в атмосферу с отходящими газами и влажным воздухом, уходящим из гради­рен, или отводится в искусственные или естественные водоемы. Повышение температуры воды в водоемах является причиной снижения растворимости кислорода, что затрудняет жизнедеятельность флоры и фауны. Если в гло­бальном смысле доля этой теплоты на настоящий момент невелика по срав­нению с поступающей на Землю солнечной радиаций (в 2000 г. она состав­ляла лишь 0,02 %), то локальные тепловые загрязнения в крупных городах могут составлять десятки ватт на квадратный метр, т.е. несколько процентов от поступающего потока солнечного излучения. Это приводит к локальным изменениям климата.

Значительный вред окружающей среде наносится не только при сжига­нии топлива, но и при его добыче, переработке, транспортировке, хранении. Происходит отчуждение территорий под угольные терриконы, золоотвалы, газо- и нефтепроводы, захоронения радиоактивных отходов.

Кроме постоянного («планируемого») загрязнения все чаще происходят чрезвычайные случаи, такие как разливы нефти при авариях танкеров, раз­рывах нефтепроводов, утечки газов из емкостей, самовозгорание запасов угля и др.

Таблица 2.5

Удельные выбросы продуктов сгорания при факельном сжигании органического топлива

В энергетических котлах

Выбросы и низшая теплота сгорания	Топливо
	Газ, г/м3	Мазут, кг/т	Уголь, кг/т
S0x (SО2)	0,006—0,01	21 Sp	17—19 Sp
NOx (NО2)	5—11	5—14	4—14
СО	0,002—0,005	0,005—0,05	0,10—0,45
Углеводороды	0,016	0,1	0,45—1,0
Н2О (пар)	1000	700	230—360
СО2	2000	3000	2200—3000
Твердые частицы	—	10 Ap	10 Ap
,МДж/кг	32—35	38—40	15—25

Примечание.S^p — норма содержания серы в сухом топливе, %; А ^р — норма содержания золы в сухом топливе, %.

Так, в результате аварий в моря и океаны ежегодно поступают десятки тысяч тонн нефти. Атомная энергетика связана с опасностью аварий на АЭС, на предприятиях по обогащению ядерного топлива.

Возобновляемые и нетрадиционные источники энергии — гидроэнерге­тика, биомасса, ветроэнергетические и солнечные энергетические установки оказывают во много раз меньшую нагрузку на окружающую среду, но и их нельзя считать полностью экологически безопасными. Так, строительство крупных гидростанций может приводить к выводу ценных земель из хозяй­ственного оборота, ухудшению условий для рыбоводства, вызвать нежела­тельные региональные изменения климата. Существуют данные, что ветро­энергетические установки создают инфразвуковые колебания, пагубно влияющие на птиц и животных.

Энергосбережение дает возможность сократить выбросы вредных веществ и тепловое загрязнение. Количество выбрасываемых в атмосферу вредных веществ зависит от организации процесса горения, качества очист­ных сооружений и вида сжигаемого топлива (табл. 2.5).

Используя данные о примерных выбросах вредных веществ, приведенные в табл. 2.5, можно оценить уменьшение выбросов, к которому привела эконо­мия энергии в результате проведения энергосберегающих мероприятий.

Пример 2.1. Требуется оценить сокращение выбросов диоксида углерода, если в результате проведения энергосберегающих мероприятий в системе отопле­ния предприятия удалось снизить потребление тепловой энергии на  = 0,1 Гкал/ч.

Предприятие получает тепловую энергию по тепловой сети от котельной, использующей в качестве топлива природный газ с низшей теплотой сгорания = 31 МДж/м³.

Коэффициент полезного действия котельной г) η₁= 0,9. Следует считать, что при передаче

теплоты теряется 10 % энергии, т.е. КПД передачи теп­лоты по тепловой сети η₂= 0,9.

Решение. Определяем расход газа, который необходимо затратить в котель­ной, чтобы предприятие получило 0,1 Гкал/ч тепловой энергии.

При пересчете экономию энергии, выраженную в мегаваттах, получаем

Снижение расхода топлива составит

В течение года количество потребленного газа сократится на

Используя данные табл. 2.5, оцениваем сокращение выбросов диоксида угле­рода:

Таким образом, снижение выбросов диоксида углерода составит 290 т в год.

Структура энергетики страны

Россия является одной из ведущих энергетических держав как по распо­лагаемым энергетическим ресурсам, так и по развитию топливно-энергети­ческого комплекса.

Располагая 2,8 % населения и 12,8 % территории мира, Россия имеет около 6 % разведанных мировых запасов нефти, 34 % мировых запасов при­родного газа, около 20 % мировых разведанных запасов каменного и 32 % бурого угля. Прогнозируемые ресурсы по нефти и газу составляют соответ­ственно 14 и 42 % мировых. Обеспеченность разведанными запасами топлива по нефти и газу оценивается в несколько десятков лет, а по углю — в 200 — 250 лет.

Потенциал гидроресурсов в стране оценивается в 7,2 % имеющихся в мире.

Российская Федерация в 2005 г. занимала первое место в мире по добыче природного газа (19 % мировой добычи) и нефти (14 %), четвертое место по выработке электроэнергии (6 %) и по добыче угля (5 %) [4].

Энергетика в России, как во всем мире, является основой, фундаментом экономики. Структурная схема функционирования энергетики страны (рис. 2.8) может рассматриваться как совокупность четырех производственно-технологических комплексов [9].

Первый комплекс обеспечивает добычу, облагораживание и транспорти­ровку органического топлива. Он включает в себя газо- и нефтедобывающие предприятия, угольные разрезы и шахты, предприятия по добыче и обогаще­нию урановой руды, газо- и нефтеперерабатывающие заводы, предприятия по переработке угля (коксование, газификация и др.), магистральные газо­проводы и нефтепроводы, нефтеналивные суда, железнодорожный транс­порт, перевозящий различные виды топлива и др.

Предприятия этого комплекса обеспечивают энергоресурсами как россий­ских потребителей, так и потребителей зарубежных стран. За счет продукции этих предприятий формируется почти 40 % доходной части бюджета.

Облагороженное и готовое к использованию топливо передается на пред­приятия второго и третьего комплексов.

Второй комплекс включает в себя крупные тепловые электростанции раз­личных видов (паротурбинные, газотурбинные, парогазовые), в том числе ТЭЦ, вырабатывающие одновременно тепловую и электрическую энергию, атомные электростанции, крупные электростанции, использующие возоб­новляемые источники энергии (гидроэлектростанции, геотермальные элект­ростанции), а также магистральные тепловые и электрические сети, по кото­рым передаются большие потоки энергии.

Этот комплекс — технологически наиболее важная часть энергетики страны. Для его создания потребовались многие десятилетия и большие материальные ресурсы. В России в комплекс входят более 600 тепловых электростанций, использующих различные виды органического топлива, более 100 гидроэлектростанций и 9 атомных электростанций. Их общая установленная электрическая мощность составляет 220,8 млн кВт (данные 2006 г.). В число тепловых электростанций входят 13 крупнейших электро­станций с общей мощностью более 2000 МВт. Их суммарная электрическая мощность составляет более 17 % установленной мощности всех объектов российской энергетики.

Третий комплекс составляют небольшие электростанции, как работаю­щие на органическом топливе, так и использующие возобновляемые источ­ники энергии, районные и местные котельные, обслуживающие небольшие населенные пункты, городские районы, отдельных крупных потребителей (например, электростанции и котельные промышленных предприятий). В этом же комплексе производится преобразование потоков энергии большой мощности в менее мощные. Он включает в себя трансформаторные подстан­ции, тепловые и газораздаточные пункты, на которых происходит пониже­ние электрического напряжения, температуры теплоносителя, давления потока газа. Кроме того, в него входят энергетические сети для передачи потоков энергии средней и малой мощности потребителе.

Россия — страна с развитой системой централизованного теплоснабже­ния, имеющая самую большую в мире протяженность тепловых остей.

Четвертый комплекс — это потребители топлива, тепловой и электри­ческой энергии, которых можно разделить на две группы. К первой группе относятся предприятия промышленности, агропромышленного комплекса, строительные предприятия, транспорт, объекты оборонного комплекса, ко второй — потребители жилищно-коммунальной сферы: жилые и обществен­ные здания, организации сферы образования, медицинского обслуживания, торговли, сферы услуг и др.

Энергопотребляющие установки потребителей включают в себя электро­двигатели и двигатели внутреннего сгорания, тепло- и электроиспользующие установки промышленных предприятий, промышленные печи, отопи­тельные приборы систем отопления, подогреватели систем вентиляции и горячего водоснабжения, осветительные приборы и др.

На всех стадиях добычи, транспортировки, преобразования, распределе­ния и конечного использования энергии имеют место ее потери. Некоторые из этих потерь являются вынужденными. Они обусловлены термодина­мическими, техническими или экономическими причинами, например, КПД получения электрической энергии на тепловых электростанциях огра­ничен параметрами термодинамического цикла; технически нельзя охлаж­дать газы, отходящие из дымовых труб, ниже определенной температуры, поскольку это может привести к конденсации влаги на поверхности внут­ренней поверхности труб, что будет вызывать их постепенное разрушение; экономически нецелесообразно увеличивать толщину ограждающих кон­струкций зданий выше определенного значения, поскольку это мало сокра­тит потери, но резко увеличит стоимость тепловой сети.

Другая часть потерь энергии связана с ее нерациональным расходова­нием. Эти потери могут быть уменьшены за счет применения современных технологий (использование бинарных циклов в энергетике, непрерывная разливка стали в металлургии и т.п.), специального энергосберегающего оборудования (утилизационные теплообменники, тепловые насосы, регуля­торы частоты вращения электродвигателей, электрические лампы с малым потреблением энергии и др.), а также за счет рациональной организации процессов получения, передачи и использования энергии. Многие из этих мероприятий не требуют крупных вложений материальных ресурсов.

Разница используемой энергии и производственно необходимых ее затрат составляет потенциал энергосбережения конкретных материальных производств и услуг.

Основные непроизводительные потери энергии чаще всего происходят на стадии ее использования. К ним можно отнести потери, связанные с низким КПД технологических энергопотребляющих установок в промышленности, потери теплоты через ограждающие конструкции зданий, потери электро­энергии в электродвигателях, связанные с их неправильным выбором (с существенным запасом по мощности) или отсутствием регулирования. Другими причинами этих потерь являются плохая работа по организации энергетического хозяйства у потребителей, а также расточительное исполь­зование энергии, связанное с относительно низкой стоимостью энергоресур­сов по сравнению с другими странами.

Потери энергии на стадии использования всегда приводят к наибольшим абсолютным потерям первичного топлива. Из рис. 2.9 видно, что для полез­ного использования 1 т у.т. топливно-энергетических ресурсов с учетом их потерь при добыче, транспортировке, распределении, облагораживании и про­изводстве при указанных значениях КПД требуется затратить 3,84 т п.у.т..

Рис. 2.9. Потери ТЭР на различных этапах преобразования

Пример 2.2. Допустим, добывается 1000 м природного газа, что соответствует 15т условного топлива. С учетом затрат на добычу 1000 м³ газа будут соответ­ствовать 1,157 т первичного условного топлива. После добычи, переработки и транспортировки 1000 м природного газа будут соответствовать уже 1,35 т пер­вичного условного топлива (см. табл. 1.5).

Тогда потери 10 м³ газа на добывающем предприятии соответствуют потерям 5 кг первичного условного топлива, а у потребителя — потерям 13,5 кг пер­вичного условного топлива.

Таким образом, рациональное использование энергетических ресурсов связано, в первую очередь, с конечными стадиями рассмотренной выше тех­нологической цепочки, т.е. с третьим и четвертым комплексами в рассмот­ренной структуре функционирования энергетики страны.

Контрольные вопросы

1. Почему энергосбережение особенно актуально в России?

2. Каково общее потребление энергоресурсов в мире и в России?

3. Каковы причины большей энергоемкости ВВП в России по сравнению с промышленно развитыми странами?

4. Дайте определение понятию «энергосбережение».                  

5. Что такое потенциал энергосбережения?

6. Каков потенциал энергосбережения экономики России? Как он распределяется по отраслям хозяйственной деятельности?             

7. Каковы прогнозы изменения потребления различных энергетических ресурсов в мировой экономике и в экономике России?

8. Что означает понятие «энергетическая безопасность страны»? Назовите ее важ­нейшие принципы. Какие проблемы нужно решить для ее достижения?

9. Почему экономия материалов и уменьшение количества отходов приводят к эко­номии энергии?

10.Охарактеризуйте структурные комплексы, входящие в структурную схему функ­ционирования энергетики России.

11.Почему при экономии энергии необходимо рассматривать систему «производи­тель — потребитель» как единое целое?

12. Почему потребление энергоресурсов связано с состоянием окружающей среды?

13.Оцените сокращение выбросов в атмосферу оксидов азота при экономии 1000 т мазута в год.

14.Почему экономия единицы энергии у потребителей энергетических ресурсов дает больший эффект, чем ее экономия при производстве и распределении?

15.По каким показателям можно судить об эффективности использования энергии в той или иной стране?

Глава 3

Общие положения

Для того чтобы охарактеризовать эффективность процессов производ­ства, преобразования, передачи и потребления энергии, оценить потенциал энергосбережения на различных объектах, обосновать правильность выбора энергосберегающих мероприятий применяются критерии (показатели) энер­гетической эффективности.

Используемые на практике виды энергии — тепловая, электрическая, механическая — различаются по своим свойствам. Физические процессы производства и потребления энергии также очень многообразны: это сжи­гание топлива, получение пара, плавление, термическая обработка металлов, различные способы обогрева зданий, выпаривание, сушка, перегонка, ректи­фикация и др. Очевидно, что для описания всего этого многообразия процес­сов используют много различных критериев.

Поскольку основные нерациональные потери энергии происходят при ее потреблении (в промышленности, сельском хозяйстве, быту и общественной деятельности), то наибольший интерес представляют критерии энергетиче­ской эффективности, связанные с потреблением энергоресурсов.

Согласно определению, данному в государственном стандарте [1],показа­тель энергоэффективности — абсолютное или удельное значение потреб­ления или потерь энергоресурсов любого назначения, которое позволяет сравнением выявлять ориентиры по энергопотреблению.

Выделяют фактические, планируемые и прогнозируемые показатели.

Показатели энергетической эффективности могут применяться для характеристики самых различных объектов, таких как аппарат, установка, цех, предприятие, жилой район, регион, государство.

Они могут быть представлены в абсолютной или удельной форме. Абсо­лютная форма характеризует расход ТЭР в регламентированных условиях (режимах) работы. Удельная форма характеризует отношение расхода ТЭР к вырабатываемой или потребляемой энергии, произведенной продукции, выполняемой работе в регламентированных условиях (режимах).

Показатели (критерии) энергетической эффективности можно разделить на три группы: термодинамические, технические (натуральные) и финансово- экономические.

В первой группе выделяют:

коэффициент полезного действия энергетической и теплотехнологической установок (энергетический КПД);

коэффициент полезного использования (КПИ) энергии в теплотехнологии; коэффициенты полезного действия или полезного использования энергии по отдельным видам энергоносителей;

эксергетический коэффициент полезного действия (степень термодина­мического совершенства установки).

Вторая группа показателей наиболее разнообразна. Ее можно в свою оче­редь разделить на три подгруппы:

нормируемые показатели энергетической эффективности продукции, которые вносятся в государственные стандарты, технические паспорта про­дукции, техническую и конструкторскую документацию и используются при сертификации продукции и энергетической экспертизе. Показатели дан­ной группы относятся к готовым изделиям и характеризуют их техническое совершенство;

показатели энергетической эффективности производственных процессов, которые вносятся в стандарты и энергетические паспорта предприятий и используются в ходе осуществления государственного надзора за эффектив­ным использованием топливно-энергетических ресурсов и при проведении энергетических обследований органами государственного надзора;

показатели (индикаторы) реализации программ энергосбережения, кото­рые отражаются в статистической отчетности, нормативных правовых и программно-методических документах, контролируются структурами госу­дарственного управления и надзора.

В настоящее время наряду с государственными стандартами по энерго­сбережению [1—4] имеется целый ряд государственных стандартов на про­мышленное оборудование, машины, приборы, которые с полным основа­нием можно отнести к стандартам по энергетической эффективности, поскольку основное их назначение состоит в регламентации показателей энергопотребления (энергоэффективности) этого оборудования. Среди основных показателей третьей группы можно выделить: долю стоимости энергетических ресурсов в себестоимости продукции; простые критерии эффективности инвестиционных проектов в энергетике; критерии эффективности инвестиционных проектов в энергетике с уче­том фактора времени.          ^

Часто рассматриваемый объект или процесс нельзя достаточно полно охарактеризовать с помощью показателей одной группы.

Термодинамические критерии оценивают степень совершенства процесса производства, трансформации, передачи или потребления энергии и коли­чественно отражают потери энергии в ходе этого процесса. Они показы­вают, насколько отличается рассматриваемый процесс от идеального, в котором достигаются минимальные теоретически достижимые затраты энергии. Такое критерий, как эксергетический КПД, учитывает не только количество, но и качество полезно получаемой энергии, определяемое воз­можностью ее преобразования в механическую работу.

Критерии, получаемые на основе энергетического анализа

В общем виде КПД определяется как отношение полученного полезного результата к общим затратам. Для оценки полноты энергетических превра­щений при различных процессах на основе энергетического баланса исполь­зуетсяэнергетический КПД:

*

где Q_пол — полезно использованная энергия; Q₀ — израсходованная энергия; Q_бесп — бесполезные затраты энергии.

Этот КПД может быть определен на основании энергетического баланса рассматриваемого объекта. Его можно вычислить либо по затратам полез­ной энергии на проведение процесса, либо через бесполезные затраты (потери) подведенной энергии (по обратному балансу) в зависимости от того, что может быть более точно определено в конкретных условиях. Потери энергии связаны с тем, что она отводится из открытой системы (котла, тепловой сети, теплообменного аппарата, технологической уста­новки) в окружающую среду и не используется на получение полезного эффекта.

Во многих случаях часть теряемой энергии может быть возвращена в сис­тему, при этом снижается количество расходуемой энергии.

Несмотря на простую форму записи существуют трудности в вычислении энергетического КПД, связанные с определением полезного эффекта и общих затрат.

Согласно [2]полезная энергия — энергия, теоретически необходимая (в идеализированных условиях) для осуществления заданных операций, тех­нологических процессов или выполнения работы и оказания услуг. Полезная энергия в различных процессах определяется [2]:

а) в освещении — по световому потоку ламп;

б) в силовых процессах:

для двигательных процессов — по рабочему моменту на валу двигателя;

для процессов прямого воздействия — по расходу энергии, необходи­мому в соответствии с теоретическим расчетом для заданных условий;

в) в электрохимических и электрофизических процессах — по расходу энергии, необходимому в соответствии с теоретическим расчетом (для заданных условий);

г) в термических процессах — по теоретическому расходу энергии на нагрев, плавку, испарение материала и проведение эндотермических реакций;

д) в системах отопления, вентиляции, кондиционирования, горячего водоснабжения, холодоснабжения — по количеству теплоты (холода), полу­ченному пользователями;

е) в системах преобразования, хранения, транспортировки топливно-энерге­тических ресурсов — по количеству ресурсов, получаемых из этих систем.

Существуют различные подходы к определению затрат энергии. Израсхо­дованной (затраченной) нередко считается энергия, подведенная с энергоно­сителями. Однако при этом часто не учитывается поступление теплоты с физической теплотой топлива, окислителя, исходного материала. Также часто не учитываются теплота экзотермических химических реакций, проте­кающих в ходе производственного процесса (например, в ряде химических и металлургических производств), и теплота конденсации водяных паров, образующихся при сжигании топлива либо содержащихся во влажном воз­духе. Все это может приводить к ошибочным результатам. Корректно опреде­ленный КПД не может быть больше единицы. Только в этом случае он может быть мерой эффективности использования энергии.                                                

Обычно КПД вычисляется при номинальном режиме работы оборудова­ния или при номинальной нагрузке предприятия (производства). Он также может быть представлен в виде графической зависимости от нагрузки.

Рассмотрим способы определения КПД при производстве, передаче и использовании энергии.

КПД тепловой электростанции равен отношению получаемой электриче­ской мощности к затратам тепловой мощности при выработке электрической:

Здесь N — вырабатываемая электрическая мощность; В — расход топлива; — низшая теплота сгорания топлива.

Для паротурбинной установки основными потерями энергии являются теплота, отводимая в конденсаторе, а также теплота, удаляемая с уходя­щими газами. Для ТЭЦ вычисляются два КПД: по выработке электрической энергии и по выработке теплоты.

КПД парового котла (рассчитанный по низшей теплоте сгорания топлива)

Здесь D — расход получаемого пара; h_п — энтальпия пара; h_п.в — энтальпия питательной воды.

Для водогрейного котла

Здесь G — расход нагретой воды; h_н.в — энтальпия нагретой воды; h_п.в — энтальпия питательной воды.

Основными потерями при работе котлов являются потери с уходящими газами, с химическим и механическим недожогами, с удаляемыми шлаками и потери через ограждение котла. Подробнее о вычислении КПД котлов излагается ниже (см. гл. 5).

КПД передачи теплоты по тепловой сети можно выразить как отно­шение теплоты, полученной потребителем, к теплоте, затраченной ее источ­ником:

Основные потери в тепловой сети — потери через теплоизоляцию тру­бопроводов и с утечками теплоносителя.

В закрытой водяной системе теплоснабжения, где расход воды по подаю­щему трубопроводу равен расходу ее по обратному трубопроводу (см. гл. 6), КПД вычисляется по формуле

где Q — тепловой поток, поступающий потребителю, Вт; G₁ — расход теп­лоносителя в подающем трубопроводе, кг/с; h₁, h₂ — энтальпии теплоноси­теля в подающем и обратном трубопроводах, Дж/кг.

Для открытой водяной системы теплоснабжения, в которой существуют утечки или разбор теплоносителя, КПД определяется в виде

где h_х.в — энтальпия холодной воды, используемой для подпитки системы теплоснабжения источника теплоты, Дж/кг; G₂ — расход теплоносителя в обратном трубопроводе, кг/с.

Количество затраченной теплоты определяется в этом случае из тепло­вого баланса источника теплоты. Холодная вода, которая идет на приготов­ление подпиточной воды, должна восполнить потери в тепловой сети с ее утечками и на водоразбор (рис. 3.1).

Тепловая мощность, получаемая потребителем, может быть определена по показаниям теплосчетчика.

Рис. 3.1. К определению КПД передачи теплоты по тепловой сети

Рассмотрим критерии эффективности передачи теплоты в рекуператив­ных теплообменных аппаратах — наиболее распространенном типе теплооб­менников. Согласно данному ранее определению энергетическийКПД рекуперативного теплообменника — это отношение переданной теплоты к теплоте, потерянной с выбросами ее в окружающую среду через корпус аппарата (если не учитывать затраты электроэнергии на перемещение тепло­носителей по тракту теплообменника):

Здесь η_пер — тепловой поток, переданный горячим теплоносителем; Q_получ — тепловой поток, полученный холодным теплоносителем; Q_пот — потери теп­лоты в окружающую среду. Поскольку потери теплоты, уходящей от наруж­ной поверхности аппарата в окружающую среду, составляют обычно 1—2 % переданной теплоты, то КПД теплообменного аппарата равен 98 — 99 %.

Этот критерий не представляет большого практического интереса для характеристики теплообменника и редко используется.

В качестве критерия передачи теплоты в рекуперативном теплообмен­нике можно использовать отношение теплового потока, переданного от горячего теплоносителя холодному Q_получ, к его максимально возможному значению Q_max заданных расходах теплоносителей и их температурах на входе в аппарат. Данный критерий был предложен В.М. Кэйсом и М.М. Лон­доном [5] и называетсякоэффициентом эффективности теплообменного аппарата:

где C₁, С₂ — водяные эквиваленты горячего и холодного теплоносителя;t’_1, t’₂ — температуры горячего и холодного теплоносителей на входе в теплооб­менник; t»₁, t»₂ — то же на выходе из теплообменника; C_min — водяной эквивалент, наименьший из величин С_х и С₂. Под водяным эквивалентом .теплоносителя подразумевается произведение его расхода на удельную теп­лоемкость.

При вычислении е_т считают, что тепловой поток, переданный горячим теплоносителем, равен тепловому потоку, принятому холодным теплоноси­телем, т.е. тепловыми потерями пренебрегают вследствие их малости.

Распределение температур в реальном и идеальном теплообменных аппа­ратах при одинаковых температурах теплоносителей на входе приведено на рис. 3.2.

Формула (3.9) представляет собой отношение фактической тепловой мощности теплообменника к максимально возможной, которая может быть реализована в противоточном теплообменнике с коэффициентом теплопере­дачи к       ∞ или с площадью поверхности теплообмена F       ∞ (в идеальном теплообменнике).

Коэффициент эффективности рекуперативного теплообменника при известном показателе — числе единиц переноса, можно опреде­лить следующим образом:

для прямоточного теплообменника

для противоточного теплообменника

где А=С_mах/ C_min.

Рис. 3.2. К определению коэффициента эффективности теплообменника:

1 — изменение температур теплоносителей в реальном теплообменнике; 2 — то же в идеаль­ном теплообменнике;

F_p — площадь поверхности теплообмена в реальном теплообменнике

При изменении в теплообменнике агрегатного состояния одного из тепло­носителей

Коэффициент эффективности приобретает смысл КПД только в системах утилизации теплоты отходящих газов Q_от.г, когда теплообменник играет роль теплоутилизатора. В этом случае утилизируемая в аппарате теплота возвращается в установку (например, с потоками сырья, воз­духа, направляемого в систему вентиляции или на сжигание топлива, воды для горячего водоснабжения) и полезно используется, а оставшаяся часть теплоты Q_пот выбрасывается вместе с потоком теплоносителя в окружаю­щую среду и представляет собой потери энергии (рис. 3.3).

В данном случае КПД зависит от площади поверхности теплообмена аппарата и от коэффициента теплопередачи, характеризующего интенсив­ность передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному. Рост КПД и экономии теплоты в теплоутилизационной установке часто достигается за счет увеличения поверхности теплообмена, т.е. за счет дополнительных финансовых затрат.                                                                                    ^

РассмотримКПД технологических установок на примере конвективной сушильной установки. Физические процессы, протекающие в технологиче­ских установках различных типов, отличаются большим своеобразием, и для каждой из них можно определить частные критерии энергетической эффек­тивности, неприменимые к установкам других типов. Для многих физиче­ских процессов формально записанная формула для вычисления КПД имеет не более чем условный характер.

В частности, для сушки обычно в качестве полезно израсходованной теп­лоты рассматривают теплоту, затраченную на испарение влаги или на испаре­ние влаги и нагрев сушимого материала, и уже в этом заключена известная условность. Для конвективной сушильной установки (рис. 3.4) с однократным использованием сушильного агента формула для определения КПД имеет вид

где t₀ , t₁,t₂ — температуры атмосферного воздуха на входе в подогреватель, в сушильную камеру и на выходе из нее соответственно; Q_пол — полезно исполь­зованный тепловой поток; Q_подв — тепловой поток, подведенный к воздуху в подогревателе; G, с_р — расход и удельная теплоемкость воздуха.

Рис. 3.3. К определению КПД теплообменника-утилизатора

Рис. 3.4. К определению КПД сушильнои установки

Потери теплоты в данном случае представляют собой потери в окружаю­щую среду через ограждения сушильной камеры и потери с отходящим сушильным агентом. Последний не полностью отдает теплоту сушимому материалу и%три этом не полностью насыщается влагой.

Областью изменения подобного КПД сушильной установки является интервал 0< η_с < η_s, где η_s — предельный КПД сушильной установки, достигаемый в том случае, когда воздух на выходе из установки полностью насыщается влагой и его температура становится равной температуре адиа­батного насыщения t_s,

Таким образом, значение η_с вовсе не изменяется в пределах от нуля до еди­ницы, как установлено для корректно определенного КПД. Это объясняется тем, что при сушке материала полезно используется не только теплота, под­веденная к калориферу, но и физическая теплота сушильного агента до его подогрева, которая не учитывается при расчете КПД. Чтобы исправить этот недостаток, модифицированный КПД сушильной установки Е определяют как отношение КПД сушильной установки к предельному:

При этом Е будет лежать в интервале 0 < Е < 1.

Коэффициент полезного использования энергии — отношение всей полезно используемой в хозяйстве (на установленном участке, в энергоуста­новке и т.п.) энергии к суммарному количеству израсходованной энергии в пересчете ее на первичную.

Коэффициент полезного использования энергии потребителем, %, вычис­ляется в виде [6]

где Q_пол — полезно использованная энергия у потребителя; Q_отх — полезно использованные вне потребителя энергетические отходы (ВЭР); Q₀ — израс­ходованная энергия.

Например, отходами, полезно использованными вне потребителя, могут являться полученный в технологической установке (потребителе теплоты) в результате процесса выпаривания растворов пар низких параметров или горячая вода, полученная при охлаждении тепловыделяющего оборудова­ния. В обоих случаях теплота отходов может быть направлена, например, на нужды теплоснабжения предприятия.                                                              

Оценку общей эффективности использования ТЭР на промышленных предприятиях можно осуществлять пополному энергетическому КПД предприятия (производства) [6], определяемому по следующей формуле:

где Э_пол — суммарная полезно использованная энергия; Э_доп — дополни­тельная энергия, выработанная и используемая внутри рассматриваемого объекта, а также отпускаемая на сторону; Э_подв — суммарная подведенная энергия; Э_внутр — суммарная энергия, полученная за счет экзотермических реакций, а также вторичных энергоресурсов других производств.

Поясним понятие полного энергетического КПД производства, используя рис. 3.5.

На производство 1 промышленного предприятия поступают энергетиче­ские ресурсы 3j в виде теплоты, электроэнергии, топлива. Часть из них Э_пол полезно используется на проведение технологического процесса. Во время производственного процесса выделяется теплота экзотермических реакций Э_экз. На производстве 1 вырабатывается энергия, часть которой Э_дои1 исполь­зуется в производстве 2, а часть Э_доп2 направляется потребителям, находя­щимся вне предприятия. На производство 1 поступают вторичные энергетические ресурсы Э_вэр производства 3.

Рис. 3.5. К определению полного энергетического КПД производства 1

Тогда полный энергетический КПД производства 1 составит

Энергетический КПД можно увеличить следующими способами: сокращением потерь, например, в системе отопления за счет улучшения теплвизоляции здания, в котельной установке за счет уменьшения присосов воздуха по тракту котла и т.п.;

уменьшением потерь теплоты, аккумулированной конструкцией уста­новки либо обрабатываемыми материалами, в окружающую среду за счет лучшей организации технологического процесса;

возвратом части энергии обратно в установку за счет использования энергии уходящих из нее потоков тепла и теплоносителей (регенеративное использование энергии);

переходом на более совершенные технологические процессы. Проведению мероприятий по сокращению потерь энергии до их мини­мально возможного теоретического значения, как правило, препятствуют ограничения экономического, экологического, санитарно-гигиенического и технологического характера. Так, например, увеличение толщины тепловой изоляции поверхности трубопроводов сокращает потери теплоты, но не всегда оправдано экономически; сокращение потерь энергии при снижении температуры выбрасываемых в атмосферу через дымовые трубы продуктов сгорания топлива приводит к ухудшению их рассеивания в атмосфере и осложнению экологической обстановки; за счет уменьшения площади окон­ных проемов сокращаются потери теплоты зданием, но одновременно сни­жается освещенность в помещениях и др. Проведение энергосберегающих мероприятий в любом случае не должно вступать в противоречие с техноло­гическими требованиями и ухудшать качество продукции.

Любой процесс, связанный с передачей, преобразованием и использова­нием теплоты, является необратимым. Необратимые потери в теплосиловых установках обычно связаны с наличием трения при течении рабочих тел и теплоносителей, с необратимостью процессов горения, теплообмена между теплоносителями и др. Последний тип потерь обусловлен тем, что передачу теплоты от более нагретого тела к более холодному можно осуществить, а обратный процесс невозможен без дополнительных затрат энергии.

Энергия системы при передаче теплоты внутри нее не теряется, но та ее часть, которую можно перевести в механическую работу, т.е. эксергия, сокращается. При этом теряемая часть тем выше, чем больше разность между температурами источника и приемника теплоты.

Как известно,эксергия — максимальная работа, которая может быть совершена термодинамической системой при переходе в состояние равно­весия с окружающей средой в обратимом термодинамическом процессе. Поскольку потенциальная и кинетическая энергия, так же как и электро­энергия, могут быть полностью преобразованы в работу, то они совпадают с эксергией.

Для анализа тепловых схем наибольший интерес представляет эксергия потока теплоты, отдаваемая телом с температурой Т,* а также эксергия потока вещества (газа или жидкости). Эксергия потока теплоты, Вт, может быть вычислена как [6]       

где Т₀ — абсолютная температура окружающей среды, К; Т — абсолютная температура источника теплоты, К; Q — передаваемый тепловой поток, Вт.

В том случае, если температура источника или среды меняется от Т_х до Т₂, в качестве Т используется средняя температура, вычисляемая в виде

Эксергия потока вещества, Дж/кг, определяется по формуле

где h,h₀ – энтальпии потока и окружающей среды, Дж/кг; s,s₀ — энтропии потока и окружающей среды, Дж/(кг • К).

Среди термодинамических показателей энергоэффективности можно рас­сматривать иэксергетический коэффициент полезного действия, кото­рый может быть определен на основе эксергетического баланса, составлен­ного для термодинамического цикла или процесса. Если рассмотренное ранее выражение для энергетического КПД отражает первый закон термоди­намики, записанный с помощью тепловых балансов, то выражение для эксергетического КПД — второй закон термодинамики.

Первоначально эксергетический анализ выполняется для теплосиловых установок, используемых для совершения механической работы. Если на вход в Такую установку поступает поток рабочего тела с эксергией Е’, на выходе имеется поток рабочего тела с эксергией Е» и установка совершает техниче­скую работу L, ее эксергетический КПД определяется следующим образом:

где D=Е’-Е»-L — потери эксергии в результате необратимости термоди­намического процесса.

Такое определение эксергетического КПД не имеет смысла для техноло­гических установок, не предназначенных для совершения технической работы, поскольку для любой такой установки L = 0 и формально записан­ный в виде формулы (3.21) эксергетический КПД будет равен нулю.

Эксергетический КПД установок, в которых не совершается механиче­ская работа и которые предназначены для трансформации энергии, в [7] было предложено вычислять по формуле

где Е’— эксергия потока теплоты на входе в установку, Вт; Е» — то же на выходе из установки, Вт.

Рассмотрим примеры определения эксергетического КПД. Для рекупе­ративного теплообменного аппарата эксергетический КПД может быть вычислен как отношение эксергии потока теплоты, отводимого из теплооб­менного аппарата холодным теплоносителем для дальнейшего использова­ния потребителем, к эксергии потока теплоты, подводимого в аппарат с горячим теплоносителем:

где Т_х, Т_Г — средние температуры холодного и горячего теплоносителей.

Пример 3.1. Сравните эксергетический КПД двух теплообменных аппаратов, использующихся для подогрева воды от 70 до 95 °С дымовыми газами. В первом из них температура дымовых газов на входе в аппарат составляет 450 °С, а на выходе из него — 320 °С. Во втором аппарате температуры дымовых газов на входе и выходе равны 250 и 120 °С.

Решение. Средние температуры холодного теплоносителя для обоих теплооб­менных аппаратов одинаковы и составляют

Средняя температура горячего теплоносителя для первого теплообменного аппарата

Средняя температура горячего теплоносителя для второго теплообменного аппарата

Эксергетический КПД первого теплообменного аппарата

Эксергетический КПД второго теплообменного аппарата

В тепловом насосе подведенной эксергией является электрическая мощ­ность, затраченная на привод компрессора. Отведенной эксергией является эксергия потока теплоты, передаваемая в конденсаторе от хладагента потре­бителю. Тогда эксергетический КПД теплового насоса, *можно определить по формуле

где N — мощность компрессора, Вт; ɛ — коэффициент трансформации теп­лоты в тепловом насосе.

Из последнего выражения видно, что далеко не всегда тепловой насос с наивысшим коэффициентом трансформации теплоты будет наиболее эффек­тивен с термодинамической точки зрения.

Пример 3.2. Найдите эксергетический КПД теплового насоса, использующего теплоту сточных вод с температурой 20 °С для подогрева воды, идущей на горя­чее водоснабжение, до температуры 55 °С. Коэффициент трансформации теплоты е = 3,5. Температура окружающей среды составляет 5 °С.

              Решение. Эксергетический КПД теплового насоса при заданных условиях

Примеры вычисления эксергетического КПД для различных аппаратов, вхо­дящих в состав паротурбинной энергетической установки, приведены 6 [7].

По условиям минимальных потерь эксергии в технологическом процессе, где используются несколько теплоносителей, следует передавать теплоту ступенчато: от горячего теплоносителя к теплоносителю с температурой, которая наиболее близка к температуре горячего теплоносителя. Однако при этом требуются большая площадь теплообменных поверхностей и большие затраты энергии на прокачивание теплоносителя через теплообменные аппараты.

Некоторые процессы имеют весьма низкий эксергетический КПД даже при использовании современных технических решений. Так, низкое значе­ние эксергетического КПД водогрейного котла вызвано прежде всего необ­ратимостью процессов горения и теплообмена между продуктами сгорания и нагреваемой водой. КПД можно несколько повысить, например, уменьшив коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания, улучшив теплоизоляцию котла и т.п. Однако для значительного снижения потерь от необратимости процесса теплообмена между высокотемпературными продуктами сгорания и относительно низкотемпературной водой необходимо применять нагрева­тели других типов, использующие уходящую из технологической установки теплоту потоков рабочего тела с более низкой температурой.

Эксергетический анализ эффективности использования энергии в необра­тимых процессах применяют для решения двух основных задач:

установления максимальных термодинамических возможностей в вычис­ления безвозвратных потерь эксергии в результате необратимости процес­сов и циклов;

обоснования рекомендаций по совершенствованию процессов, протекаю­щих в энергетических и теплотехнологических аппаратах и установках.

При решении первой из этих задач эксергетический анализ позволяет определить общую степень совершенства схемы и численно найти потери эксергии в отдельных ее узлах. В ряде случаев на основе эксергетического анализа можно определить условия, соответствующие минимальным поте­рям эксергии в отдельных узлах схемы, а иногда и во всей схеме. В разветв­ленных системах можно уменьшить потери эксергии в узлах с наибольшей необратимостью, снизив потери в предыдущих узлах.

Для анализа установок, включающих в себя большое число аппаратов, в которых происходит преобразование теплоты, используют диаграммы потоков эксергии [7].

Очевидный недостаток эксергетических критериев применительно к технологическим аппаратам заключается в том, что эксергетический анализ трактует технологический аппарат как черный ящик [8]. Об эффективности технологического процесса этот анализ позволяет судить только по состоя­нию рабочих сред на входе и выходе. При этом известно, что температурный уровень процесса может существенно влиять на выход готового продукта, его качество и время протекания процесса.

Другим важным недостатком метода эксергетического анализа является то обстоятельство, что в отличие от энергетического анализа на основе этого метода не разработаны способы проведения технико-экономического обос­нования выбираемых технических решений. У специалистов, работающих в энергетике, имеется понимание того, что теплота, переносимая теплоносите­

лем с высокой температурой, имеет большую ценность, чем низкопотенци­альная теплота, однако экономически обоснованных зависимостей, связыва­ющих уровень температур теплоносителей и тариф на тепловую энергию, в настоящее время нет.

Применение методов эксергетического анализа целесообразно в первую очередь при рассмотрении тех процессов, в которых производятся, преобразу­ются или используются разнородные виды энергии — теплота, механическая и электрическая энергия, например, в энергетических установках различных типов, в холодильных установках и тепловых насосах, в турбодетендерных агрегатах. В [9, 10] показана эффективность метода эксергетического ана­лиза при разработке сложных тепловых схем, в которых происходят смеше­ние потоков теплоносителей и разделение газовых смесей.

Система термодинамически объективных показателей эффективности тепловых процессов позволяет значительно расширить рамки инженерных применений законов технической термодинамики, способствует осмыс­ливанию особенностей тепломеханических взаимодействий и преобразова­ний и дает возможность предотвратить ошибки в оценке фактического использования энергии и истинной эффективности тепловых процессов и установок.

Простые натуральные показатели

Рассмотренные ранее термодинамические показатели не всегда могут быть успешно применены для оценки энергетической эффективности про­цессов. Так, например, в системах отопления и вентиляции вся теплота, затраченная на обеспечение требуемых параметров среды в помещениях, в конечном итоге уходит в окружающую среду, энергетический КПД системы при этом можно считать равным нулю. Однако затраты теплоты на отопле­ние или вентиляцию помещения одного и того же объема могут сущест­венно различаться, и эффективность потребления теплоты будет различной.

К процессам, в которых применение термодинамических критериев использования энергии является затруднительным, относятся и многие произ­водственные процессы. Для характеристики таких процессов используются технические (натуральные) показатели потребления энергии.

Как отмечалось выше, эта группа показателей наиболее многочис­ленна и разнообразна. Входящие в нее показатели характеризуют потреб­ление энергии на осуществление технологического процесса, выпуск про­дукции или оказание услуг. Они также могут учитывать качество энергии, например, если затраты энергии выражаются в первичном условном’ топ­ливе. Критерии этой группы могут быть простыми и комплексными. В комп­лексных критериях учитываются затраты не только на выпуск продукции (например, выплавку стали), но и произведенные в предшествующих пере­

делах, а также затраты энергии на организацию и осуществление производ­ственного процесса, т.е. на сырье, производство, монтаж и наладку необхо­димого технологического оборудования, изготовление инструмента и т.п.

При применении этих показателей в качестве критериев эффективности использования энергии необходимо их сравнение для однотипных технологи­ческих аппаратов, установок, технологических процессов.

В государственном стандарте [1] введены следующие основные показа­тели энергетической эффективности:

экономичность потребления ТЭР (для продукции при ее использовании по прямому функциональному назначению);

энергетическая эффективность передачи (хранения) ТЭР (для продукции и процессов);

энергоемкость производства продукции (для процессов).

Экономичность потребления ТЭР является характеристикой готовой продукции при ее использовании по прямому функциональному назначе­нию. Этот показатель характеризует эксплуатационные свойства изделия, отражающие его техническое совершенство, определяемое совершенством конструкции и качеством изготовления, уровнем или степенью потребления им энергии и (или) топлива.

В качестве показателей экономичности энергопотребления обычно выбирают такие удельные показатели, как количество энергии или топлива, затрачиваемое машиной, механизмом на производство единицы продукции или выполнение работы, либо отношение расхода топлива или энергии к величине, косвенно (по однозначности) характеризующей совершаемую работу. Например, для автомобиля таким критерием может служить расход топлива на перевозку 1 т груза на расстояние 1 км. Для технологической линии используют показатель расхода энергии на выпуск одного изделия.

Показателиэффективности передачи энергии задают в виде абсолют­ных или удельных потерь энергии (энергоносителя) в системе ее передачи. Например, в качестве показателя эффективности передачи энергии для сис­темы теплоснабжения используют тепловые потери (снижение энтальпии рабочего тела) на 1 км теплотрассы, а для сети электроснабжения — допус­тимые потери энергии в сети. Сравнение систем передачи энергии по этим показателям должно производиться при известных исходных параметрах энергоносителя и характеристиках канала передачи энергии.

Наиболее распространенным натуральным показателем для технологи­ческих процессов являетсяэнергоемкость производства продукции —значение потребления энергии и (или) топлива на основные и вспомогатель­ные технологические процессы изготовления продукции, выполнение работ, оказание услуг на основе заданной технологической системы.

Практически при производстве любого вида продукции расходуются ТЭР, и для каждого вида продукции существует соответствующая энергоем­кость технологических процессов производства. При этом энергоемкость технологических процессов производства одних и тех же видов изделий,

выпускаемых различными предприятиями, может быть различна [1]. В общем случае понятие «энергоемкость» может иметь различное толкование в зависимости от аспекта рассмотрения.

Энергоемкость производства продукции Э_пр вычисляется как расход всех видов топлива и энергии, используемых в основном и вспомогательных тех­нологических процессах, выраженный в тоннах условного топлива, на еди­ницу выпущенной продукции в натуральном выражении (штуки, тонны, квадратные или погонные метры):

или в стоимостном выражении:

Здесь Э_пр1, Э_пр2 — энергоемкости продукции в натуральном и стоимостном выражениях; — суммарный расход всех видов топлива и энергии, используемых в основном и вспомогательных технологических процессах, выраженный в тоннах условного топлива; G_np — количество выработанной продукции в натуральном выражении; S — стоимость выработанной про­дукции (входит в состав показателей, отражаемых в энергетическом пас­порте потребителя энергетических ресурсов).

При расчете значений показателей энергоемкости изготовления продук­ции учитывают расход ТЭР только в основных и вспомогательных процес­сах производства. Расход ТЭР на отопление, освещение, различные хозяй­ственные и прочие нужды не включают в затраты при подсчете значений показателей энергоемкости.

Примером энергоемкости производства продукции являются затраты топлива на выработку единицы электрической энергии на тепловой электро­станции и единицы тепловой энергии в котельной установке.

Для учета того, что различные виды ТЭР неравнозначны по своему каче­ству, используют такой показатель, какзатраты первичного условного топлива на производство единицы продукции Э_{пр.перв}. Этот показатель позволяет учесть общие затраты энергии на производство продукции с уче­том затрат на добычу, облагораживание и транспортировку различных видов топливно-энергетических ресурсов:

Здесь K_i — коэффициенты для пересчета различных видов ТЭР на первич­ное условное топливо (см. гл. 1).

Часто минимальные затраты энергии при ее потреблении нельзя оценить на основе термодинамических критериев. Это, например, затраты на отопле­ние помещений, проведение многих технологических процессов, автомоби­лей на 100 км пробега, бытовых, промышленных приборов и технических устройств. Рациональное значение этих затрат зависит от уровня развития техники и технологий в данной стране и в данное время, экономической выгоды применения той или иной энергосберегающей технологии, климати­ческих условий и др.

В подобных случаях определяется расчетно-нормативное потребление энергии (подробнее о нормах потребления энергии см. в гл. 5) и критерием энергетической эффективности процесса или устройства может служить отношение расчетно-нормативного потребления энергии к фактическому:

Производственную (хозяйственную) деятельность в области энергосбере­жения характеризуют показателями энергопотребления и энергоемкости производства продукции в отчетном году в сравнении с базовым годом в сопоставимых условиях — при приведении к равным объемам и структуре производства продукции.

Для оценки деятельности предприятия в области энергосбережения вычисляетсяизменение затрат энергии на выпуск единицы продукции за расчетный период.

Комплексные критерии

Помимо указанных ранее натуральных показателей существуют показа­тели энергетической эффективности, которые отражают совокупные затраты энергии на производство продукции данного вида. Такие показатели называют комплексными.

Пусть перед нами стоит задача минимизировать энергетические затраты на производство продукции в технологической установке. Расход топлива в установке не может служить критерием оптимизации, так как различные сорта топлива неравноценны по теплоте сгорания. Как известно, расчеты выполняются для условного топлива. Однако расход условного топлива в данном случае также не может служить критерием оптимизации, так как не исключено, что экономия условного топлива в самой технологической уста­новке достигается ценой перерасхода условного топлива, затраченного на создание тех самых материальных или энергетических ресурсов, за счет которых осуществляется эта экономия (например, на создание более совер­шенной технологической установки, на подготовку более качественного сырья и т.п.).

В качестве критерия оптимизации может рассматриваться толькосово­купный расход условного топлива на организацию технологического процесса во всем хозяйственном комплексе, приведенный к постоянному сопоставимому потребительскому эффекту. Отдельные составляющие сово­купного расхода условного топлива различаются по меньшей мере по двум признакам.

Во-первых, они занимают разные места в структуре хозяйственного комп­лекса. Условное топливо может затрачиваться на добычу, транспортировку и переработку самого топлива и минерального сырья, из которого изготав­ливаются конструкционные материалы, на создание средств производства в машиностроении и в самом топливно-энергетическом комплексе, а также самого рассматриваемого технологического оборудования, на его монтаж, наладку и эксплуатацию.

Если в сравниваемых вариантах технологического процесса при постоян­ных свойствах готового продукта различается технология приготовления сырья, обрабатываемого технологической установкой, то уже нельзя при решении задачи оптимизации ограничиваться анализом расхода условного топлива на организацию технологического процесса. В этом случае необхо­димо анализировать расход условного топлива на производство конечной продукции, включая и расход условного топлива на производство сырья, потребляемого этим технологическим процессом, и т.д.

Затраты условного топлива в каждом из звеньев хозяйственного комп­лекса входят в совокупный расход условного топлива на организацию тех­нологического процесса или на производство готовой продукции так же, как затраты постоянного и переменного капитала входят в издержки произ­водства во всех звеньях хозяйственного комплекса за весь предше­ствующий времени анализа период.

Во-вторых, отдельные составляющие совокупного расхода условного топлива различаются временной динамикой, что аналогично различию между затратами постоянного и переменного капитала. Они могут быть постоянными, как затраты ТЭР на подготовку сырья и организацию про­цесса (аналогично затратам переменного капитала), и единовременными [например, затраты ТЭР на создание технологической установки (анало­гично затратам постоянного капитала)]. Таким образом, совокупный расход условного топлива следует вычислять по формуле [8]

где В_П — постоянный расход условного топлива; В_е — единовременный рас­ход условного топлива; Е_в — коэффициент приведения.

Определение коэффициента приведения является наиболее сложной зада­чей, и именно его вычислением главным образом и различаются методы оптимизации по совокупному расходу условного топлива. Логика нахожде­ния коэффициента приведения должна воспроизводить логику определения средней нормы прибыли.

Коэффициент приведения Е_в должен быть величиной, обратной сроку возврата вложений условного топлива Т_в, направленных на его экономию, так что Е_вВ_в = 1, аналогично тому, как средняя норма прибыли Е является

величиной, обратной сроку возврата капиталовложений Т, направленных на экономию издержек производства, так что ЕТ= 1.

Чтобы снизить расход условного топлива, необходимо вкладывать в производство денежные средства, которые могут быть направлены на обнов­ление средств производства (изменение технологий, покупку нового обору­дования, автоматизацию и др.) или на сокращение текущих затрат энергоно­сителей на проведение технологических процессов.

Эти капиталовложения имеют различную топливоемкость, т.е. в них вхо­дят различные суммарные затраты на ТЭР, приходящиеся на вложенные средства. Например, затраты на строительство имеют большую топливоем­кость, чем затраты на привлечение более квалифицированного персонала.

Очевидно, что срок возврата вложений условного топлива будет тем больше, чем выше средняя топливоемкость капиталовложений, направлен­ных на экономию условного топлива В_к, и чем больше замыкающие затраты на условное топливо З_{у т}, по которым издержки производства на приобрете­ние постоянно затрачиваемого топлива пересчитываются из стоимостной формы в натуральную, и наоборот. Следовательно, будут справедливы про­стые формулы:

Срок возврата вложений условного топлива, направленных на его эконо­мию, оказы|ается значительно меньше срока окупаемости капиталовложе­ний, т.е. обращение топлива совершается значительно быстрее обращения капитала. Поэтому практически совокупный приведенный расход условного топлива следует вычислять по формуле

где а_т, а_к, а_р — нормы отчислений соответственно на текущий и капиталь­ный ремонты, на реновацию; причем в постоянный расход условного топ­лива В_п эти отчисления уже не включаются.

Приведенный натуральный показатель соответствует термину«полная энергоемкость продукции», т.е. расходу энергии и (или) топлива на изготов­ление продукции, в том числе расходу на добычу, транспортировку, перера­ботку полезных ископаемых и производство сырья, материалов, деталей с уче­том коэффициента использования сырья и материалов. Аналогичный показатель, исключающий из полной энергоемкости продукции все виды используемых ВЭР, называется технологическим топливным числом D [10].

Технологическое топливное число D — это затраты всех видов энергии в данном и во всех предшествующих переделах технологического процесса, пересчитанные на необходимое для их получения топливо (в килограммах условного топлива, килограммах условного топлива на единицу продукции),

за вычетом энергии тепловых, топливных, материальных и других вторич­ных энергоресурсов.

Технологическое топливное число отражает объективные энергетические затраты технологического процесса, является показателем полной энергоем­кости готовой продукции.

Оно может быть вычислено не только для промышленной продукции, получаемой в каком-либо технологическом процессе, но и для продукции других видов, например, транспортировки топлива, строительства капиталь­ных сооружений, проведения ремонтов оборудования и др.

Согласно определению технологическое топливное число выражается в виде [10]

D = Э₁ Э₂ Э₃ — Э₄,                                                   (3.31)

где Э₁ — первичная энергия; Э₂ — энергия произведенных энергоносителей; Э₃ — скрытая энергия; Э₄ — энергия вторичных энергоресурсов.

Использование вторичных энергоресурсов различных видов снижает первоначальные затраты энергии на производство продукции, и при вычис­лении технологического топливного числа энергия ВЭР вычитается из общих энергетических затрат.

Первичная энергия Э₁ представляет собой химическую энергию ископае­мого первичного топлива с учетом затрат на добычу, подготовку (обогаще­ние), транспортировку и т.п. Согласно [2] первичная энергия — это энергия, заключенная в ТЭР:

где D_топ — технологическое топливное число топлива в целом, кг у.т/кг или        кг у.т/м³; b_топ — удельный расход топлива, кг (или м³), на единицу готовой продукции,

здесь — низшая теплота сгорания топлива, кг у.т/кг или кг у.т/м³; D_доб, D_под, D_тр — технологические топливные числа соответственно добычи, под­готовки и транспортировки топлива, кг у.т/кг или кг у.т/м³.

Таким образом, кроме удельного расхода топлива (или нескольких топ- лив) учитываются: технологическое топливное число добычи, зависящее от способа добычи, геологических, климатических и прочих условий, степени обустроенности промысла (шахты, разрезы), применяемого оборудования, источника энергии и других факторов; технологическое топливное число подготовки, зависящее от ее способа, количества отходов, степени их утили­зации, источника энергии и других показателей; технологическое топливное число транспортировки, зависящее от взаимного расположения промысла и потребителя, способа транспортировки, потерь при этом и пр.

Первичная энергия больше, чем просто химическая энергия данного топ­лива, например, затраты на добычу могут составить около 2 % теплоты сго­рания топлива, на транспортировку — 10 %, а на подготовку — 1 2 % [8].

Энергия производных (произведенных) энергоносителей Э₂, таких как теплота, пар, электроэнергия, сжатый воздух, кислород и др., с учетом затрат на преобразование определяется по формуле

где D_T, D_П, D_Э, D_C.B, D_K, D_B — технологические топливные числа соответ­ственно теплоты, пара, электроэнергии, сжатого воздуха, кислорода и воды, кг у.т. на единицу энергоносителя; b_Т, b_П, b_Э, b_C.B, b_K, b_В — удельные рас­ходы соответственно теплоты, пара, электроэнергии, сжатого воздуха, кис­лорода и воды, единица энергоносителя на единицу готовой продукции.

Как показывает практика, наибольшей величиной в затратах энергии на получение произведенных энергоносителей является расход первичной энергии. В энергию произведенных энергоносителей не входят ее затраты на собственные нужды, потери в сетях, утечки и т.п.

Скрытая энергия Э₃ — это энергия, израсходованная в предшествующих технологиях и овеществленная в сырьевых исходных материалах процесса, технологическом, энергетическом и другом оборудовании, капитальных сооружениях, инструменте и т.п. К этой же форме энергии относятся энерго­затраты на поддержание оборудования в работоспособном состоянии (на ремонты), энергозатраты внутри- и межзаводских перевозок и других вспо­могательных операций. Скрытая энергия определяется в виде

где D_c, D_o6,D_к.с, D_ИН, D_р , D_ТР — технологические топливные числа соответ­ственно сырья, оборудования, капитальных сооружений, инструмента, ремонтов, перевозок; b_с — удельный расход сырья на единицу готовой про­дукции; К_а, К_ИН, К_р, К_ТР — коэффициенты расхода соответственно на амор­тизацию, инструмент, ремонты и перевозки.

В качестве примера приведем формулы для вычисления коэффициентов расхода:

где п — норма амортизации; В_год, В_сл, В_кам — произведенная готовая про­дукция данного передела соответственно за год, срок службы инструмента (сменного оборудования) или за кампанию между ремонтами.

Энергия вторичных ресурсов Э₄ складывается из фактически сэкономлен­ных энергозатрат при использовании в данном или других производствах тепловых, топливных, материальных и других вторичных ресурсов:

где Э_теп, Э_хим, Э_мат — вторичные тепловые, горючие и материальные ресурсы;

здесь D_теп, D_хим, D_мат — технологические топливные числа соответственно тепловой энергии (пара, горячей воды), топливной (химической) энергии, материальных ресурсов, получаемых в виде вторичных энергоресурсов или сырья, кг у.т. на единицу вторичных ресурсов; b_{в теп}, b_в.хим, b_в.мат — соответ­ственно удельные выходы вторичных ресурсов на единицу готовой продук­ции данного передела, единица вторичных ресурсов на единицу готовой продукции; К_и.теп,К_и.хим, К_и.мат — соответственно коэффициенты использо­вания вторичных ресурсов.

При использовании технологических топливных чисел для энергетиче­ского анализа технологических процессов технологию следует рассматривать в определенной последовательности от простого к сложному. Технологиче­ское топливное число каждого отдельного передела включает в себя отдельно взятые формы потребления энергии внутри этого передела, технологическое топливное число последующего передела включает в себя технологическое топливное число предыдущего передела, отраслевое технологическое топ­ливное число должно учитывать технологическое топливное число любой технологической цепи внутри отрасли, межотраслевое технологическое топ­ливное число учитывает отраслевые числа и т.д. Такая схема энергетиче­ского анализа позволяет определить конечное технологическое топливное число, которое представляет собой удельный расход энергии, выраженный в килограммах условного топлива, на 1 руб. национального дохода (или внут­реннего валового продукта) [10].

Экономические показатели оценки энергоэффективности дают возмож­ность определить, насколько экономически выгодны инвестиции в уста­новку оборудования с лучшими энергетическими характеристиками или в проведение энергосберегающих мероприятий при существующем и прогно­зируемом в ближайшее время уровнях цен на оборудование и энергоно­сители.

Особенностью этих показателей является то, что при их расчете обычно учитываются средства от экономии топливно-энергетических ресурсов.

Одним из важных показателей любого производства являются затраты на энергетические ресурсы в себестоимости продукции. Этот показатель отражает не только энергетическое совершенство производственного про­цесса и энергоемкость производства, но и стоимость энергоносителей, про­мышленного оборудования, сырья и рабочей силы. Он отражается в энергети­ческом паспорте потребителя энергоресурсов.

Оценочные значения данного критерия для продукции, производимой на предприятиях различных отраслей хозяйственной деятельности России, приведены в табл. 3.1.

Сопоставление по этому показателю дает возможность определить потре­бителей, рациональное использование энергии которыми может привести к наилучшим финансовым результатам.

К простым показателям эффективности инвестиционных проектов в энер­гетике относят чистую прибыль, рентабельность инвестиций, простой срок окупаемости капитальных вложений, срок предельного возврата кредитов и процентов по ним.

Эти критерии являются упрощенными, поскольку не учитывают то обстоя­тельство, что как инвестиции, так и получаемый доход приходятся на различ­ные периоды времени и, кроме того, распределены во времени. Их удобно применять для оценки малозатратных и быстрореализуемых проектов.

К критериям эффективности инвестиционных проектов в энергетике с учетом фактора времени относят чистый дисконтированный доход, доход­ность инвестиций, внутреннюю норму рентабельности, дисконтированный срок окупаемости, суммарные дисконтированные затраты. При определении этих критериев вложенные в проект средства и средства, получаемые при его реализации, приводятся к базовому периоду времени (дисконтированы).

Вычисление показателей может проводиться не только в существующих на текущий период (базисных), но и в прогнозных ценах, что позволяет учи­тывать инфляцию.

Критерии могут отражать инвестиционные риски вложения капитала, например, добавлением надбавки за риск в норму дисконтирования.

Подробное описание экономических показателей для оценки энергоэф­фективности приведено в [11] и др.

Контрольные вопросы

1. Укажите термодинамические критерии, позволяющие оценить эффект энергосбе­режения.

2. Приведите выражение коэффициента эффективности теплоутилизатора и объяс­ните его сущность.

3. Назовите возможные способы повышения КПД энергетической или теплотехнологической установки.

4. Поясните преимущества эксергетического анализа при оценке эффективности работы теплотехнологической установки.

5. Почему одновременно с термодинамическими показателями вводятся техниче­ские (натуральные) показатели эффективности использования энергии?

6. Приведите примеры нескольких частных натуральных показателей энергоэффек­тивности, которые можно использовать для характеристики процессов, связанных с про­изводством, транспортировкой и использованием энергии в различных областях.

7. Дайте определения нескольким натуральным показателям энергоэффективности промышленных предприятий.

8. Поясните понятие «технологическое топливное число», перечислите входящие в него составляющие.

9. Поясните роль энергии, полученной за счет вторичных энергоресурсов, в опреде­лении технологического топливного числа.

10. Укажите примерные затраты на ТЭР в себестоимости продукции на предприя­тиях различных отраслей промышленности.

11. Назовите технико-экономические показатели, которые можно использовать при оценке энергосберегающих проектов.

Глава 4

Виды энергобалансов

Энергетический баланс по физической сути является частным выраже­нием фундаментального закона сохранения энергии. Энергетический баланс представляет собой равенство между суммарной подведенной энергией и суммарной полезной и потерянной энергией.

Полезная энергия — это количество энергии, теоретически необходи­мое для проведения энергетических процессов или получаемое на стадиях переработки, преобразования, транспортировки или хранения энергетиче­ских ресурсов.

Потери энергии — это разность подведенной и полезной энергии [1, 2]. Различаютпроизводительные потери, которые технологически неизбежны и нормируются, инепроизводительные потери, возникающие в результате неправильной эксплуатации оборудования при добыче, транспортировке, хранении, преобразовании и конечном потреблении энергоресурсов. Послед­ние потери могут быть устранены в результате проведения организацион­ных или технологических энергосберегающих мероприятий.

Энергетические балансы составляются в целях определения потребности в энергетических ресурсах проектируемых объектов, анализа и оценки эффективности использования энергетических ресурсов в стране, отдельном регионе, отрасли народного хозяйства, на предприятии, технологической установке и других объектах, потребляющих ТЭР.

Энергетические балансы составляются дляпотребителей ТЭР. Среди потребителей ТЭР можно выделить: народное хозяйство страны в целом; отрасль народного хозяйства; энергопотребляющие объекты, объединенные по территориальному признаку; общественные, административно-бытовые и жилые здания; промышленные предприятия в целом; отдельные цеха про­мышленного предприятия; технологические линии; установки и аппараты.

Энергетические балансы могут составляться по суммарному потребле­нию всех видов энергоресурсов (топлива, электрической или тепловой энер­гии и др.). Такие балансы называются сводными.

Сводные энергетические балансы отражают равенство приходной и расходной частей всех видов энергетических ресурсов. Балансы составля­ются для объектов, объединенных по территориальным или производственно-отраслевым признакам.

Частные энергетические балансы составляются по одному из видов энергоресурсов.

Приходная часть энергетического баланса характеризует структуру добычи и производства всех видов энергетических ресурсов, поступления ТЭР от внешних потребителей и переходящие остатки. Расходная часть энергетического баланса характеризует структуру и направления использо­вания различных энергетических ресурсов, включая потери, отпуск энерге­тических ресурсов внешним потребителям и переходящие остатки [2].

В качестве примера сводного баланса, составленного для региона, рас­смотрим энергетический баланс Энской области [3].

Пример 4.1. Составить энергетический баланс Энской области. В области добываются нефть и природный газ. Вся нефть транспортируется за пределы области. Добываемый газ используется для нужд энергоснабжения объектов области. Электроснабжение осуществляется в основном от внешних источников и частично от предприятий энергосистемы области. Теплопотребляющие объекты снабжаются теплотой от предприятий энергосистемы, муниципальных и про­мышленных котельных, которые используют ввозимое топливо (газ, уголь), элек­троэнергию и теплоту на собственные нужды. Транспортные средства обеспечи­ваются ввозимыми нефтепродуктами. Ввозимое топливо (газ и нефтепродукты) частично используется также на предприятиях промышленного комплекса области. Потребителями произведенных (электроэнергия, тепловая энергия, меха­ническая энергия) и первичных (газ, нефтепродукты) энергоресурсов являются: объекты промышленного, коммунально-бытового, агропромышленного, транспорт­ного комплекса и связи области. Располагаемые произведенные энергоресурсы

оцениваются в 5698 • 10³ ту.т. За вычетом потерь до потребителей доходит 3002 -10 т у.т. энергоресурсов, а также 1200 -10 т у.т. котельно-печного и моторного топлива. Потери энергии у потребителей оцениваются в 1801 • 10 т у.Т.

Решение. Приходная и расходная части энергетического баланса области даны в табл. 4.1. Баланс удобно представить также в виде диаграммы энергети­ческих потоков [3], приведенной на рис. 4.1.

Анализ энергетического баланса (рис. 4.2) показывает, что основная потреб­ность в энергоресурсах области покрывается за счет энергоносителей, произве­денных с использованием ввозимого топлива (более 70 %), а объемы потребления основных энергоресурсов (электроэнергии, тепловой энергии и топлива) конеч­ными потребителями сопоставимы. Это означает, что мероприятия по энергосбе­режению у потребителей должны охватывать все направления использования топлива и энергии. Особенностью приводимого баланса является выделение в явном виде потерь энергии по всем энергоресурсам (рис. 4.3). Основные потери имеют место при теплоснабжении и использовании моторного топлива.

Пример 4.2. Составить топливно-энергетический баланс Тверской области за 2000 г. (по данным [4]). В области производится и добывается 4,6 млн т у.т., в том числе ядерного топлива, служащего источником производства электроэнергии на АЭС, 4,2 млн т у.т.; природного топлива 0,4 млн т у.т. Ввоз энергоресурсов в виде котельно-печного и моторного топлива, млн т у.т., составляет: угля — 0,1; при­родного газа — 4,8; мазута — 0,5; автобензина — 0,2; дизельного топлива — 0,3; продуктов нефтепереработки — 0,4. Вся производимая на АЭС электроэнергия передается потребителям за пределы области. Внутреннее потребление топлива составляет 6,7 млн т у.т., распределение потребления топлива по отраслям пред­ставлено на рис. 4.4. Топливо, потребляемое в области, — это топливо, добывае­мое в самой области и ввозимое из-за ее пределов.

Рис. 4.1. Энергетический баланс, тыс. т у.т., Энской области [3]:

ЭЭ — электроэнергия; ТЭ — тепловая энергия; ЭД — энергия движения; НИ — нефтепродукты; ЭС —энергосистема; МК — муниципаль­ные котельные; КП — промышленные котельные; ТС — транспортные средства; ПК — промышленный комплекс; КБК — коммунально- бытовой комплекс; АПК— агропромышленный комплекс; ТКиС — транспортный комплекс и связь

Энергетический баланс Энской области, тыс. т у.т. (по данным [3])

Таблица4.1

Рис. 4.2. Структура потребления энергоресурсов, поступающих от внешних источников «(я) и расходуемых конечными потребителями (б) в энергетическом балансе Энской области

Рис. 4.3. Соотношения между производственными энергоресурсами и их потерями, %, в энергобалансе Энской области (числа в ст олбцах диаграммы обозначают объемы произ­водства и потерь, тыс. т у.т.)

Рис. 4.4. Потребление котельно-печного и моторного топлива в Тверской области в 2000 г. [4] (числа на диаграмме обозначают объемы потребления, млн т ул., и доли в общем объеме потребляемого топлива, %)

Решение. Частный баланс потребления в области топлива, млн т у.т., пред­ставлен на рис. 4.5 в виде диаграмм приходной и расходной частей. Приведенный баланс в отличие от данного в примере 4.1 представляет собой пример синтети­ческого баланса, поскольку не включает в себя потери энергетических ресурсов.

Рис. 4.5. Баланс потребления топлива в Тверской области в 2000 г. (по данным [4]):

а — приходная часть; б — расходная часть

В качестве примера сводного баланса можно привести баланс потребле­ния топливно-энергетических ресурсов промышленным предприятием за определенный период времени [5]. Баланс составляется в расчете на услов­ное топливо.

Пример 4.3. Предприятие на технологический процесс и выработку тепловой и электрической энергии на собственной ТЭЦ использует мазут  = 12 100 ккал/кг, дополнительное потребление электроэнергии предприятием от стороннего источника составляет Э_с = 80 • 10⁶ кВт • ч/год. Потребление мазута на технологический процесс М = 400 т/год. ТЭЦ вырабатывает тепловую энергию в количестве Q = 50-10 Гкал/год при удельном расходе условного топлива b_э = 160 кг у.т/Гкал и электроэнергию в количестве Э = 20^.10⁶ кВт -ч/год при удельном расходе условного топлива b_э = 320 г у.т/(кВт • ч). Требуется опреде­лить годовое потребление энергоресурсов предприятием в расчете на условное топливо.

Решение. Годовое потребление энергии

где В_Т  — расход условного топлива на технологический процесс; В_ТЭ, В_Э — то же на производство тепловой и электрической энергии; В_С — потребление электро­энергии из энергосистемы.          

Годовое потребление мазута на технологический процесс в расчете на услов­ное топливо

*

Годовое потребление условного топлива на выработку тепловой энергии

Годовое потребление условного топлива на выработку электроэнергии на собственной ТЭЦ

Годовое потребление электроэнергии из энергосистемы в расчете на условное топливо

где b_эт — эквивалент удельного расхода условного топлива на выработку 1 кВт • ч электроэнергии.

Следовательно, суммарное потребление энергоресурсов предприятием

 С использованием данных этого примера сводный баланс потребления ТЭР представим в виде табл. 4.2. Сводный баланс составляется с учетом поступления всех видов ТЭР и распределения их на технологические и собственные нужды (отопление, вентиляция, горячее водоснабжение), которые в приведенном при­мере не указываются.

Таблица 4.2

Примечание. В итоговый расход включены расходы топлива на технологический процесс, тепловой и электрической энергии.

Рис. 4.6. Структура потребления мазута по направлениям использования (к примеру 4.3)

В данном примере можно выделить частный баланс потребления мазута по направлениям использования. Структура такого баланса представлена на рис. 4.6. При анализе этого баланса можно выделить наиболее энергоемкие направления использования по данному виду энергоресурса.

Энергия, выработанная, а затем потребленная на предприятии за счет использования полученных на этом предприятии вторичных энергоресур­сов, не учитывается при расчете энергопотребления. В этом случае имеет место лишь сокращение потерь энергии на предприятии за счет ее более рационального использования.

По способам составления различают опытный (инструментальный), рас­четный или опытно-расчетный энергобалансы [1].Опытный энергетиче­ский баланс составляется с использованием показаний стационарных или пор­тативных средств измерений,расчетный — на основе технологических, теплотехнических и других видов расчета. При проектировании энергопо­требляющих объектов определение составляющих энергобалансов выполня­ется, как правило, по укрупненным показателям, т.е. по удельным нормам расхода каждого вида ТЭР на производство продукции или осуществление технологического процесса.

По содержанию выделяют синтетический и аналитический энергоба­лансы.Синтетический баланс отражает общее потребление и распределе­ние ТЭР по направлениям использования. При составлениианалитического баланса помимо этого оценивается эффективность энергоиспользования выделением производительных затрат ТЭР, обоснованных (нормативных) и непроизводительных потерь ТЭР. Согласно [2]аналитические балансыподразделяются:

на проектный, который отражает потребление энергоресурсов при усло­вии устранения необоснованных (непроизводительных) потерь и при неиз­менных потерях, заложенных в проекте;

на проектный приведенный, который составляется по всем видам потребляе­мых энергоносителей в расчете на условное топливо;

на проектный рационализированный, составляемый с учетом отдельных энергосберегающих мероприятий, не изменяющих технологии производ­ственного процесса;

на проектный оптимальный, составляемый с учетом энергосбережений при применении новых технологий.

Составление частных аналитических балансов рассмотрим на примере системы механической общеобменной вентиляции [5, 6].

Пример 4.4. В обслуживаемом помещении происходят внутренние тепловы­деления общей мощностью Q (включая тепловыделения от отопительных прибо­ров, людей и оборудования). Мощность тепловых потерь через ограждающие конструкции равна Q_пот„- Известны массовые расходы приточного G_n и вытяжного G_y воздуха. Расход приточного воздуха находится по требуемой кратности возду­хообмена, а вытяжного — из условия G_y = G_n = G. В предварительном подогрева­теле воздух нагревается до температуры t_н1. Температура приточного воздуха t_n. Эффективность рекуперативного теплообменника-утилизатора теплоты вытяж­ного воздуха считаем известной и равной ɛ. Схема системы вентиляции представ­лена на рис. 4.7.

Решение. Уравнения тепловых балансов для теплообменника-утилизатора, калориферов предварительного и основного подогревов воздуха будут иметь вид:

где G — массовый расход воздуха; G_B1 и G_B2 — массовые расходы воды, циркули­рующей через калориферы; h_yi, h_Hi, и h_п — энтальпии влажного воздуха;  — потери теплоты, уходящей в окружающую среду из теплообменника-утилизатора;  — то же из калориферов; h_B1, h_B2 — энтальпии воды.

Рис. 4.7. Принципиальная схема системы вентиляции с теплообменником-утилизатором:

1 — предварительный подогреватель (калорифер); 2 — рекуперативный теплообменник; 3 — подогреватель (калорифер); 4 — приточный вентилятор; 5 — вытяжной вентилятор; б — обводная линия

Уравнение теплового баланса для помещения можно записать в виде

Уравнение теплового баланса для системы в целом, включая систему вентиля­ции и обслуживаемое помещение, можно представить как

где  — суммарна     — тепловая мощность, подводимая к воздуху в кало­риферах; — избыточная тепловая мощность в вентилируемом поме­щении.

Из уравнения (4.10) следует, что затраты тепловой мощности на подогрев воз­духа в системе вентиляции с теплообменником-утилизатором будет составлять

Для прямоточной (без теплообменника-утилизатора) системы общеобменной вентиляции затраты тепловой мощности на подогрев воздуха находятся из урав­нения (4.11), если принять h_y2 = h_yl:

Энергосберегающий эффект от применения теплообменника-утилизатора в абсолютном исчислении (экономия тепловой мощности  получаемой от внешнего источника теплоснабжения) будет определяться как

С учетом эффективности теплообменника-утилизатора

экономия тепловой мощности составит

Эффективность использования теплоты внешнего источника можно оценить, учитывая, что показателем полезного эффекта является величина AQ. При этом

Структура уравнения (4.16) указывает на то, что эффективность системы вен­тиляции будет повышаться по мере снижения потерь в ее элементах и уменьше­ния энтальпии воздуха вентиляционных выбросов, последнее достигается приме­нением теплообменника-утилизатора теплоты вытяжного воздуха.

В данном примере составление тепловых балансов позволило выявить зависи­мость экономии тепловой энергии от эффективности теплообменника-утилиза­тора, оценить эффект от применения такого теплообменника, а также получить зависимость эффективности системы вентиляции от потерь теплоты в ней, в том числе и с уходящим воздухом.

В общем случае уравнение энергетического баланса промышленного предприятия (отдельного объекта промышленного предприятия) может быть представлено в виде

где Q_i — энергия энергетического ресурса i-го вида, подведенная к объекту, кВт; Q_{пол i} — полезно потребленная энергия ресурса i-го вида, кВт;Q_{пот j} — потери энергии энергетического ресурса i-го вида, кВт;Q_npj — энергия про­изведенного энергетического ресурса j-го вида, кВт (включая вторичные энергетические ресурсы). Уравнение (4.17) должно быть дополнено уравнениями материальных балансов, конкретный вид которых определяется спецификой технологиче­ских процессов.

По итогам годовой деятельности промышленного предприятия составля­ются: сводный баланс потребления ТЭР от сторонних источников; частные балансы расчетно-нормативного потребления и использования по отдель­ным видам энергоресурсов; частные балансы фактического потребления и использования ТЭР по отдельным видам энергоресурсов.

В порядке обязательной статистической отчетности приводитсясводный баланс потребления ТЭР от сторонних источников. Этот баланс составля­ется на основе показаний счетчиков коммерческого учета энергоресурсов. Отдельные статьи его представлены объемами потребления от сторонних источников электроэнергии, тепловой энергии, котельно-печного и мотор­ного топлива. Потребление энергоресурсов приводится в натуральных единицах (кВт • ч, Гкал, т, тыс. м и др.) и в условном исчислении. При составле­нии баланса указываются источники энергоснабжения и субабоненты, а также доля последних в общем потреблении ТЭР. При составлении сводного баланса потребления ТЭР в целях формирования энергетического паспорта дополнительно даются параметры теплоносителя (в приходной статье по тепловой энергии). Потребление учитывается по отдельным видам котельно-печного (газообразного, жидкого и твердого) и моторного топлива (бензин, дизельное топливо). Приводятся сведения о типах и числе приборов коммерческого учета энергоресурсов.

Частныеэнергетические балансы расчетно-нормативного потребле­ния и использования по отдельным видам энергоресурсов составляются в целях выделения в балансе фактического потребления и использования той части ТЭР, которая обеспечивает нормальное функционирование производ­ственного цикла с учетом существующих норм потребления и потерь. Нор­мируется потребление энергоресурсов как на нужды технологического цикла, так и на собственные нужды (отопление, вентиляцию и кондициони­рование воздуха, горячее водоснабжение). Примеры расчета норм потребле­ния и потерь тепловой энергии приведены в гл. 5.

Частныеэнергетические балансы фактического потребления и использования ТЭР по отдельным видам энергоресурсов по своему содер­жанию являются аналитическими, а по способу составления — расчетно-инструментальными. В расходной части баланса содержатся расчетно-нормативное потребление (с учетом нормативных потерь) и фактическое пот­ребление по показаниям стационарных или портативных приборов учета энергоресурсов. Обязательным является выделение фактических и непроиз­водительных (сверхнормативных) потерь энергии. В приходной части пос­тупление энергоресурсов разделяется по источникам энергоснабжения. В рас­ходной части содержатся статьи расхода по направлениям использования энергоресурса: технологический процесс, собственные нужды, сторонние потребители. При составлении балансов этого типа используются резуль­таты сводного и частных расчетно-нормативных балансов потребления отдельных энергоресурсов [7].

Для установления фактического состояния и динамики использования ТЭР, выявления сверхнормативных потерь энергии, оценки показателей энергетической эффективности и формирования мероприятий по энергосбе­режению федеральные органы исполнительной власти РФ ввели энергети­ческий паспорт потребителя ТЭР [8].

Согласно Федеральному закону «Об энергосбережении» обязательной паспортизации подлежат потребители ТЭР независимо от организационных форм и форм собственности, годовое потребление которыми превышает 6000 т у.т. или 1000 т моторного топлива.

Энергетический паспорт потребителя топливно-энергетических ресурсов — нормативный документ, содержащий показатели эффективности использования топливно-энергетических ресурсов, потребляемых в процессе хозяйственной деятельности объектами производственного назначения, а также энергосберегающие мероприятия. Энергетический паспорт потребителя ТЭР разрабатывается на основе энергетического обследования, проводимого в целях оценки эффективности использования топливно-энергетических ресурсов, разработки и реализации энергосберегающих мероприятий [8]. Объектами энергетического обследования являются: производственное оборудование, машины, установки, агрегаты, потребляю­щие ТЭР, преобразующие энергию из одного вида в другой для производ­ства продукции, выполнения работ (услуг);

технологические процессы, связанные с преобразованием и потребле­нием топлива, энергии и энергоносителей;

процессы, связанные с расходованием ТЭР на вспомогательные нужды (освещение, отопление, вентиляцию).

Энергетический паспорт состоит из следующих разделов [8]: общие сведения о потребителе ТЭР;

сведения о потреблении ТЭР: общем потреблении энергоносителей; потреб­лении      электроэнергии, тепловой энергии, котельно-печного и моторного топлива;

сведения об эффективности использования ТЭР;

мероприятия по энергосбережению и повышению эффективности использования ТЭР;

выводы.                                                                                                         ,

Заключительный раздел энергетического паспорта потребителя ТЭР дол­жен включать в себя:

перечень зафиксированных при обследовании потребителя фактов непроизводительных расходов ТЭР с указанием их значений в стоимостном и натуральном выражениях;

предлагаемые направления повышения эффективности использования ТЭР с оценкой экономии последних в стоимостном и натуральном выраже­ниях с указанием затрат, сроков внедрения и окупаемости.

Типовые формы энергетического паспорта промышленного потребителя ТЭР, приводимые в приложениях ГОСТ Р 51379—99 «Энергетический пас­порт потребителя топливно-энергетических ресурсов. Основные положе­ния» [5], включают в себя:

титульный лист энергетического паспорта потребителя ТЭР, на котором указываются лица, ответственные за составленный паспорт и энергохозяй­ство предприятия;

общие сведения о потребителе ТЭР, содержащие информацию о наимено­вании, реквизитах предприятия, объеме производства основной и вспомога­тельной продукции, численности персонала и другие сведения о предприятии;

сведения об общем потреблении энергоносителей, куда входят информа­ция о годовом потреблении и данные коммерческого учета потребления всех видов энергоносителей, используемых потребителем ТЭР;

технические сведения о трансформаторных подстанциях, установленной мощности потребителей и краткую техническую характеристику наиболее энергоемких потребителей электроэнергии по направлениям использования: технологических процессов, насосов, вентиляционного и подъемно-транспорт­ного оборудования, компрессоров, сварочного ихолодильного оборудова­ния, приборов освещения и пр.;

сведения о фактических и расчетно-нормативных приходах и расходах электроэнергии с учетом нормативных потерь;

технические и энергетические сведения об источниках энергии (ТЭЦ, котельных) с указанием эффективности ее использования на них;

технические и энергетические характеристики наиболее энергоемкого технологического оборудования, использующего тепловую энергию в виде пара и горячей воды; топливоиспользующего оборудования и транспортных средств;

расчетно-нормативное потребление тепловой энергии по подразделениям и направлениям: для технологического процесса, отопления, вентиляции, горячего водоснабжения;

балансы потребления тепловой энергии, котельно-печного и моторного топлива с указанием нормативных и сверхнормативных потерь;

сведения об использовании ВЭР, альтернативного топлива и возобновля­емых источников энергии;

сведения о показателях эффективности использования ТЭР, содержащие информацию об удельных расходах энергии;

сведения об энергосберегающих мероприятиях, содержащие информа­цию об энергоэффективных решениях по каждому виду ТЭР.

Основными задачами, решаемыми в процессе формирования энергети­ческого паспорта потребителя ТЭР, являются:

обоснование расчетно-нормативного потребления энергетических ресур­сов на всех стадиях производственного процесса и на собственные нужды;

составление аналитических балансов потребления и распределения всех видов топливно-энергетических ресурсов, содержащих данные о расчетно- нормативном и фактическом потреблении ТЭР по данным коммерческого и тех­нического учета энергоносителей (с использованием результатов опытно-инструментального обследования) с обязательным выделением эксплуатационно-неизбежных и непроизводительных затрат энергоресурсов;

формулировка предложений по снижению непроизводительных затрат энергоресурсов с технико-экономическим обоснованием.

Все сведения и показатели эффективности использования энергетических ресурсов записываются в типовые формы, содержание которых определяется спецификой производственного процесса. Образцы некоторых из типовых форм [8] и порядок их заполнения приводятся в примере 4.5.

Содержание паспорта должно периодически обновляться в соответствии с действующими нормативно-правовыми актами федерального уровня (как правило, 1 раз в 5 лет).

По аналогии с паспортами организаций построены паспорта муниципаль­ных образований, в которых отражаются основные показатели по потребле­нию или производству топливно-энергетических ресурсов на территориях (в абсолютных и удельных единицах) и определяются основные направле­ния работ по рациональному их использованию.

Возрастающие расходы на мероприятия по энергоснабжению зданий и сооружений бюджетной сферы приводят к необходимости паспортизации и этих потребителей ТЭР. Однако форма и содержание энергетического пас­порта гражданского здания существенно отличаются от формы и содержания энергетического паспорта промышленных потребителей ТЭР (см. § 4.5) [9].

Данные, приводимые в паспорте организации (не промышленном потре­бителе ТЭР), позволяют, с одной стороны, проверить правильность опреде­ления объемов поставляемых и получаемых коммунальных услуг (не менее чем двумя способами), с другой стороны, служат базой данных для опреде­ления комплекса мероприятий по энергосбережению в организации и ориен­тировочных затрат на их проведение. Таким образом, введение энергетиче­ского паспорта организации создает единую базу расчетов объемов потребления энергетических ресурсов и может служить базой для составле­ния обоснованных нормативов (а также лимитов) потребления энергоресур­сов в организациях бюджетного финансирования.

Пример 4.5. Требуется представить общее потребление предприятием энерго­носителей от сторонних источников (см. Приложение В [8]), а также составить балансы потребления и использования топлива и тепловой энергии предприятием за год (см. Приложение С и Приложение П [8]).

На предприятии тепловая энергия используется в технологическом процессе и на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения производственных и вспомогательных помещений. Предприятие получает тепловую энергию с сете­вой водой от ТЭЦ (1980 Гкал /год) и ведомственных котельных (1070 Гкал/год). Собственное производство тепловой энергии составляет: в водогрейных* котлах ПТВМ-50 котельной — 4635,7 Гкал/год, в электрокотлах — 670 Гкал/год. Фак­тический удельный расход топлива на выработку тепловой энергии равен 160,9 кг у.т/Гкал при использовании в качестве топлива природного газа и 164,2 кг у.т/Гкал при использовании в качестве топлива мазута. Планируемый (нормируемый) удельный расход топлива составляет соответственно 160,5 и 163,9 кг у.т/Гкал. Расход теплоты на собственные нужды котельной равен 4% выработанной теплоты.

Предприятие получает от сторонних источников электрическую энергию в количестве 36,7-10⁶ кВт^.ч/год. Расход электроэнергии по направлениям использования составляет:

на технологическое оборудование (станки, подъемно-транспортное и сварочное оборудование, насосы и др.) 23,013 • 10⁶ кВт • ч/год; на освещение 10,1 • 10⁶ кВт • ч/год;

на производство тепловой энергии в электрокотлах 0,047 • 10⁶ кВт • ч/год; то же в котельной

2,07 • 10^б кВт • ч/год;

на производство сжатого воздуха компрессорами 1,47 • 10^б кВт • ч/год. От сторонних источников предприятие получает котельно-печное (газ и мазут) и моторное топливо (бензин и дизельное топливо). Природный газ исполь­зуется при производстве продукции в технологических процессах нагрева и сушки (1433,7 т у.т/год) и в котельной при производстве тепловой энергии (745,9 т у.т/год). В качестве резервного топлива в котельной используется мазут в количестве 291,8 т у.т.

Моторное топливо в количестве 64 300 л расходуется автотранспортом пред­приятия.

Решение. Рассчитаем годовое потребление энергоресурсов в условных единицах. Годовое потребление электрической энергии из энергосистемы

Годовое потребление тепловой энергии

Годовое потребление моторного топлива

Здесь 0,3445; 0,143 и 1,45 — коэффициенты пересчета на условное топливо. Тогда суммарное потребление энергоресурсов предприятием

где 2179,6 т у.т/год — суммарное потребление природного газа на предприятии.

Годовое потребление энергоресурсов превышает 6000 т у.т., следовательно, предприятие подлежит обязательному энергетическому обследованию с состав­лением энергетического паспорта.

В табл. 4.3 приведено общее потребление энергоносителей за год от сторон­них источников (см. Приложение В [8]), представленное по данным примера.

Таблица 4.3