какие характеристики входят в понятие энергетический обзор
Энергетические характеристики, общие сведения.
Выбор оптимального (наилучшего из возможных) энергетического режима работы оборудования электростанций – важнейшая задача организации основного производства в электроэнергетике.
В основе обоснования оптимального энергетического режима работы электростанции лежат энергетические характеристики агрегатов.
Энергетическая характеристика представляет собой функциональную зависимость между подведенной и полезной энергией.
 | (1.4) |
Подведенную энергию при этом можно представить в следующем виде:
 | (1.5) |
– потери энергии.
Энергетические характеристики котлоагрегатов и турбогарегатов подразделяются на расходные и весовые.
Примеры энергетических расходных и весовых характеристик:
Энергетические расходные характеристики.
– зависимость часового расхода условного топлива котлоагрегата (тут/ч) от часового производства тепла (Гкал/ч).
– зависимость часового расхода тепла турбоагрегата (Гкал/ч) от электрической нагрузки (мощности) (МВт).
Энергетические расходные характеристики отражают экономичность режима работы агрегатов.
Энергетические весовые характеристики.
– зависимость часового расхода натурального топлива котлоагрегата (тнт/ч) от часового производства пара (т/ч).
– зависимость часового расхода пара турбоагрегата (т/ч) от электрической нагрузки (мощности) (МВт).
Энергетические весовые характеристики существенно отличаются от расходных и используются при расчетах абсолютных величин расхода энергоносителя при заданных нагрузках, а также для определения производственной мощности агрегатов.
Применительно к турбоагрегату, зная его весовую характеристику, можно получить расходную характеристику, если известны энтальпия свежего пара ( 
) и температура (энтальпия) питательной воды ( 
), путем пересчета по формуле:
 | (1.6) |
Экономичность агрегатов зависит от структуры и величины потерь энергии. Для экономичной эксплуатации оборудования и борьбы с излишними потерями энергии важно знать, какие причины вызывают эти потери, и какова их зависимость от величины полезной энергии.
Рассмотрим классификацию потерь тепла в турбоагрегатах и котлоагрегатах.
Различают 4 группы потерь по характеру их изменения в зависимости от величины полезной энергии.
1. Потери рассеяния, вызванные пребыванием оборудования во включенном состоянии.
1.1. 
– потери в окружающую среду;
1.2. 
– механические потери (потери трения);
1.3. 
– часть электрических потерь в генераторе (потери намагничивания);
1.4. 
– часть потерь в конденсаторе турбоагрегата, связанная с режимом холостого хода.
Потери энергии этой группы от нагрузки не зависят и поэтому их называют постоянными потерями. График постоянных потерь тепла имеет вид прямой линии параллельной горизонтальной оси координат (рис. 1.2).
Рис. 1.2. График постоянных потерь тепла.
2. Потери рассеяния, связанные с перемещением энергопотока. Это, прежде всего, вторая часть электрических потерь в генераторе (потери на нагрев обмоток). График потерь энергии имеет следующий вид (рис. 1.3).
3. Потери от недоиспользованной энергии, заключенной в энергоносителе. Это потери в котлоагрегате, связанные с недожогом топлива, с уходящими газами, а также переменные потери с конденсацией пара в конденсаторах паровых турбин.
Потери энергии этой группы зависят от нагрузки, характер зависимости имеет следующий вид (рис. 1.4).
4. Дополнительные потери энергии в зонах минимальных и повышенных нагрузок, связанные с невозможностью обеспечения в этих условиях нормального технологического процесса работы оборудования.
Для котельного агрегата к ним относятся:
— дополнительные потери от химического недожога топлива в топке котла;
— потери с уходящими газами при малых нагрузках котла;
— потери с уходящими газами при форсировке режима работы котла.
Рис. 1.3. График переменных электрических потерь в генераторе.
Рис. 1.4. График переменных потерь с конденсацией пара.
Эти дополнительные потери возникают в связи с тем, что при минимальных и повышенных нагрузках трудно синхронно регулировать все показатели технологического процесса (рис. 1.5 и 1.6).
Энергетические характеристики строятся на основе энергетических балансов. Сущность составления энергобаланса состоит в том, что энергобаланс представляется в виде однолинейной схемы энергетического потока, на котором выделяются отдельные слагаемые энергобаланса: подведенная и полезная энергия, а также потери энергии. Возможно также построение баланса в виде дерева или в табличном виде.
Рис. 1.5. Дополнительные потери в зоне малых нагрузок.
Рис. 1.6. Дополнительные потери в зоне форсировки.
Как бы сложна ни была энергетическая схема электростанции, ее можно рассматривать как последовательное и параллельное сочетание простейших энергетических балансов.
Если электростанция производит различные виды энергии, то для каждого из этих видов строится свой энергобаланс, а затем способом наложения воспроизводится вся схема сложного энергобаланса электростанции. При этом производство энергии на ТЭС, рассматривается в виде последовательного процесса, состоящего из ряда стадий:
— производство тепла (котельный цех);
— распределение тепла (тепловой поток);
— производство электроэнергии (турбинный цех);
— теплофикационное отделение (ТЭЦ).
Для каждой стадии составляется собственный энергобаланс, в котором количество поступившей (подведенной) энергии должно быть равно количеству отданной (полезной) энергии (отпуск в другую стадию производства, потери и необходимые расходы).
Энергобаланс может быть составлен за любой промежуток времени (час, сутки, месяц и т.д.).
Экономичность каждой стадии производства, при работе энергетических агрегатов по определенному режиму, определяется следующими показателями:
— удельным расходом энергии (тепла, топлива).
КПД каждой стадии определяется по формуле:
 | (1.7) |
; 
– потери энергии.
Удельный расход энергии в общем виде соответствует отношению количества подведенной энергии к полезной, то есть величина обратная КПД.
 | (1.8) |
Пример:
1. Часовой удельный расход топлива котлоагрегатом на выработку Гкал тепла, кгут/Гкал
 | (1.9) |
2. Часовой удельный расход тепла турбоагрегатом на выработку МВт мощности, Гкал/МВт·ч
 | (1.10) |
Таким образом, показатели часового удельного расхода топлива и тепла определяются делением величины расхода подведенной (первичной) энергии соответствующего агрегата на его полезную энергию (нагрузку) при данном режиме работы.
Зная КПД последовательных стадий производства и распределения энергии для группы энергетического оборудования, состоящей из ряда последовательных элементов, в которых полезная энергия предыдущего элемента является подведенной энергией последующего элемента, общий КПД определяется по формуле:
 | (1.11) |
, 
, 
– КПД отдельных последовательных элементов.
Пример.
,
,
,
.
Следовательно, при КПД 35% потери энергии составляют 65%, что свидетельствует о важности их классификации, анализа, нормирования, и сокращения до технически и экономически возможных значений.
Для ТЭЦ в целом различают два КПД:
1. КПД по выработке электроэнергии:
,
,
.
2. КПД по выработке теплоэнергии:
,
,
.
Так как пар используется на производство электроэнергии и теплоэнергии, в первом и втором случае учитывается – 
, то же самое относительно передачи теплоэнергии по трубопроводам – 
.
, т. к. по отношению к выработке электроэнергии отпуск тепла это потери.
Можно сделать выводы, что энергобаланс каждой стадии производства складывается из энергобалансов отдельных агрегатов, а составление энергобаланса электростанции и определение расходов топлива и КПД ведется от частного к общему – от агрегата к стадии (цеху) и к общим показателям по электростанции.
Важной проблемой является построение энергетических характеристик оборудования. Существует несколько способов построения энергетических характеристик:
1. Экспериментальный (опытный) способ – путем проведения специальных испытаний оборудования. Например, при различных электрических нагрузках генератора, определяется величина подведенной энергии. Испытания оборудования проводят перед пуском агрегатов, после капитальных ремонтов, при монтаже и наладке, после реконструкции и модернизации оборудования. Испытания, как правило, проводят специализированные организации.
2. Расчетный способ применяется при наличии соответствующей информационной базы и используется в проектных, опытно-конструкторских и научно-исследовательских разработках. В ряде случаев расчетный способ является более точным, но более трудоемким в методическом отношении.
3. Расчетно-экспериментальный – объединяет оба названных способа и является наиболее распространенным.
По результатам испытаний оборудования в различных режимах, составляется таблица соответствия между показателями, на основе которой в заданной системе координат X-Y строится поле значений функции (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Поле значений функции, полученное по результатам испытаний оборудования, и различные формы характеристик.
Конкретные значения функции в данном случае являются экспериментальными, включают наиболее вероятные ошибки измерений, а также эксплуатационные отклонения от паспортных (номинальных) величин факторов и условий, определяющих значения показателей.
В общем случае графическая форма и соответствующее ей аналитическое (математическое) выражение характеристики достоверно неизвестно, поэтому построение энергетических характеристик имеет некоторую степень неопределенности, что может в дальнейшем отражаться на точности расчетов, проводимых с использованием энергетических характеристик.
Существует достаточно много различных методов математической статистики, позволяющих в указанном поле значений функции построить различные линейные, в том числе ломаные, или нелинейные (степенные, логарифмические) зависимости. Выбор той или иной формы зависимости определяется математической достоверностью конкретной функции и точностью описания процесса (рис. 1.7.).
Наиболее простые зависимости – линейные, они используются в практике планово-аналитической работы на электростанциях и в энергокомпаниях, а также в учебных целях. Обычно прямолинейные характеристики называют спрямленными, имея ввиду, что истинная форма характеристик нелинейная, а прямая линия – частный случай.
Использование нелинейных энергетических характеристик целесообразно в сочетании с экономико-математическими моделями и методами, что широко применяется в электроэнергетике в оперативно-диспетчерском управлении. Нелинейные энергетические характеристики являются основой решения задач оптимального распределения нагрузки между агрегатами электрических станций, между электрическими станциями в электроэнергетических системах, в ЕЭС России.
Особое значение с точки зрения точности энергетических характеристик имеет энергетическое нормирование.
Энергетические характеристики агрегатов электрических станций получают при определенных условиях. Изменение условий в процессе длительной работы оборудования в различных режимах приводит к увеличению погрешности расчетов на основе характеристик. Поэтому используется система норм или поправок на конкретные условия эксплуатации, включающая четыре группы:
1. Характеристические нормы расхода тепла турбоагрегатами и условного топлива котлоагрегатами. Этими нормами являются параметры их энергетических характеристик (холостые расходы и относительные приросты расхода тепла и топлива). Принятые при расчете характеристик эксплуатационные условия (качество топлива, начальные параметры пара, глубина вакуума и т. д.) называются характеристическими.
Зная нагрузку агрегата, по характеристике можно определить характеристический расход тепла на выработку электроэнергии. Таким образом, определение расхода тепла по конкретной характеристике даёт, так называемый, характеристический расход тепла. Этот расход всегда наименьший.
2. Нормы поправок на эксплуатационные условия. Необходимость в нормах поправок связана с тем, что реальные условия часто отличаются от характеристических. Поэтому расход, определенный по характеристикам умножают на нормы поправок, учитывающих эксплуатационные условия.
Расход тепла с учетом эксплуатационных условий называется эксплуатационным. Эксплутационный расход тепла – это характеристический расход с изменениями.
3. Нормы расхода топлива в неустановившихся режимах. Эта группа норм учитывает дополнительные расходы тепла и топлива в неустановившихся режимах.
4. Нормы расхода и топлива тепла вне основных агрегатов. Эта система норм включает нормы на расход энергии агрегатами собственных нужд, неэнергетические нужды цехов и цеховые потери электрических станций.
Установление норм-поправок основывается, как правило, на результатах испытаний агрегатов. Поправки должны вводиться лишь на отклонение от условий, при которых определялась характеристика. Если условия совпадают с нормальными, поправки вводиться не должны.
Ввод поправок при отклонении того или иного условия от нормы производится по обобщенным уравнениям:
 | (1.12) |
 | (1.13) |
, 
– эксплуатационный расход топлива или тепла (с учетом поправок);
, 
– расход топлива или тепла, определенный по энергетической характеристике;
, 
– поправка для заданного отклонения значений показателей от нормальных значений, определенных по характеристике, %;
, 
– поправки к расходу топлива или энергии в абсолютных единицах.
Каждая из поправок определяется по специальным графикам или шкалам, построенным на основе испытаний или расчетов. Для того чтобы учесть поправки по энергетическому агрегату или процессу при одновременном отклонении нескольких условий (показателей), определяется суммарная поправка на эксплуатационные условия по топливу 
и по теплу 
.
В этом случае эксплуатационный расход топлива или тепла определяется по формулам:
 | (1.14) |
 | (1.15) |
В практике эксплуатации ТЭС распространение получили поправки на сорт и качество топлива (влажность, теплотворная способность, зольность и т. п.), температуру питательной воды и подогрева воздуха, начальные параметры пара, температуру охлаждающи воды, давление регулируемых отборов пара у турбин и др.
«Зеленый» курс: какое будущее ждет альтернативные источники энергии
Что такое альтернативные источники энергии
Возобновляемую энергию получают из устойчивых источников, таких как гидроэнергия, энергия ветра, солнечная энергия, геотермальная энергия, биомасса и энергия приливов и отливов. В отличие от ископаемых видов топлива — например, нефти, природного газа, угля и урановой руды, эти источники энергии не истощаются, поэтому их называют возобновляемыми. Только за 2019 год по всему миру установлено объектов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) общей мощностью 200 ГВт.
Виды альтернативных источников энергии
1. Солнечная энергия
Солнце — главный источник энергии на Земле, ведь около 173 ПВт (или 173 млн ГВт) солнечной энергии попадает на нашу планету ежегодно, а это более чем в 10 тыс. раз превышает общемировые потребности в энергии. Фотоэлектрические модули на крыше или на открытых территориях преобразуют солнечный свет в электрическую энергию с помощью полупроводников — в основном, кремния. Солнечные коллекторы вырабатывают тепло для отопления и производства горячей воды, а также для кондиционирования воздуха.
Солнечные панели могут вырабатывать энергию и в пасмурную погоду, и даже в снегопад. Для наибольшей эффективности их стоит устанавливать под определенным углом — чем дальше от экватора, тем больше угол установки панелей.
2. Энергия ветра
Использование ветра в качестве движущей силы — давняя традиция. Ветряные мельницы использовались для помола муки, лесопильных работ) и в качестве насосной или водоподъемной станции. Современные ветрогенераторы вырабатывают электроэнергию за счет энергии ветра. Сначала они превращают кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем в электрическую энергию.
Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся технологий возобновляемой энергетики. По последним данным IRENA, за последние два десятилетия мировые мощности по производству энергии ветра на суше и на море выросли почти в 75 раз — с 7,5 ГВт в 1997 году до примерно 564 ГВт к 2018 году.
3. Энергия воды
Еще в древнем Египте и Римской империи энергия воды использовалась для привода рабочих машин, в том числе мельниц. В средние века водяные мельницы применялись в Европе на лесопильных и целлюлозно-бумажных предприятиях. С конца XIX века энергию воды активно используют для получения электроэнергии.
4. Геотермальная энергия
Геотермальная энергия использует тепло Земли для производства электричества. Температура недр позволяет нагревать верхние слои Земли и подземные водоемы. Извлекают геотермальную энергию грунта с помощью мелких скважин — это не требует больших капиталовложений. Особенно эффективна в регионах, где горячие источники расположены недалеко к поверхности земной коры.
5. Биоэнергетика
Биоэнергетика универсальна. Тепло, электричество и топливо могут производиться из твердой, жидкой и газообразной биомассы. При этом в качестве возобновляемого сырья используются отходы растительного и животного происхождения.
6. Энергия приливов и отливов
Приливы и волны — еще один способ получения энергии. Они заставляют вращаться генератор, который и отвечает за выработку электричества. Таким образом для получения электроэнергии волновые электростанции используют гидродинамическую энергию, то есть энергию, перепад давления и разницу температур у морских волн. Исследования в этой области еще ведутся, но специалисты уже подсчитали — только побережье Европы может ежегодно генерировать энергии в объеме более 280 ТВт·ч, что составляет половину энергопотребления Германии.
Как разные страны мира выполняют планы по энергопереходу
Страны по всему миру поставили себе амбициозные задачи по переходу на возобновляемую энергию. Цели стали частью и Парижского соглашения — к 2030 году решения с нулевым выбросом углерода могут быть конкурентоспособными в секторах, на которые приходится более 70% глобальных выбросов. Сделать это планируется за счет энергетического перехода — процесса замены угольной экономики возобновляемой энергетикой. В 2020 году, несмотря на пандемию и экономическую рецессию, многие города, страны и компании продолжали объявлять или осуществлять планы по декарбонизации.
Ожидается, что в 2021 году Индия внесет самый большой вклад в развитие возобновляемой энергетики. Здесь планируют запустить ряд ветряных и солнечных проектов.
В Евросоюзе также прогнозируется скачок в приросте мощностей в 2021 году. Здесь даже в условиях пандемии не забывают о Green Deal — крупнейшей в истории ЕС коррекции экономического курса. Цель проекта — сформировать в ЕС углеродно-нейтральное пространство к 2030 году. Для этого планируется сократить на 40% объем выбросов парниковых газов от уровня 1990 года и увеличить долю энергии из возобновляемых источников до 32% в общей структуре энергопотребления. Как посчитала Еврокомиссия, достичь этих задач можно будет с помощью ежегодных инвестиций в размере €260 млрд. Доля ВИЭ в энергосистеме ЕС также постоянно растет. Так, около 40% электроэнергии в первом полугодии 2020 года в ЕС было произведено из возобновляемых источников.
Китай за десять лет стал главным производителем оборудования для возобновляемой энергетики. В первую очередь, речь идет о солнечных панелях. Семь из десяти крупнейших мировых производителей солнечных батарей — это китайские компании. В целом развитие технологий удешевило стоимость строительства новых объектов ВИЭ. Это приближает планы Китая стать углеродно нейтральным к 2060 году.
Серьезных шагов в сторону энергоперехода ожидают и от президента США Джо Байдена. Он не только вернул страну в Парижское соглашение, но и заявил о том, что намерен добиться чистых выбросов парниковых газов и перехода на 100% экологичной энергии к 2050 году.
Также к 2050 году планируют использовать только ВИЭ Япония, Южная Корея, Новая Зеландия и Великобритания. Прошедший 2020 год уже стал самым экологичным для энергосистемы Великобритании со времен промышленной революции. Страна целых 67 дней смогла обходиться без угля. От традиционных источников энергии Британия планирует отказаться уже к 2025 году.
Активно развиваются ВИЭ в Испании — по прогнозам, сектор только солнечной энергетики в стране будет расти примерно вдвое быстрее, чем в Германии.
В 2020 году Шотландия получила 97% электроэнергии из возобновляемых источников. С помощью произведенной «зеленой» энергии получилось обеспечить электронужды более чем 7 млн домохозяйств. Шотландия планирует стать углеродной нейтральной уже к 2030 году.
Этот же год выбран временем полного отказа от традиционной энергетики для Австрии, а Саудовская Аравия запланировала к 2030 году получать 50% электроэнергии от ВИЭ.
Геотермальная энергия в Рейкьявике и солнечные батареи для Берлина
Отдельные города по всему миру также стремятся стать климатически нейтральными. По данным CDP, из более чем 570 городов мира, по которым ведется статистика, более 100 получают по крайней мере 70% электроэнергии из возобновляемых источников — энергии воды, геотермальной, солнечной и ветровой энергии.
В списке присутствуют такие города, как Окленд, Найроби, Осло, Сиэтл, Ванкувер, Рейкьявик, Порту, Базель, Богота и другие.
Например, Берлингтон (штат Вермонт, США) уже получает 100% электроэнергии от ветра, солнца, воды и биомассы. Вся электроэнергия Рейкьявика производится за счет гидроэлектростанций и геотермальных источников. К 2040 году весь общественный и личный транспорт столицы должен стать свободным от ископаемого топлива.
100% энергии из возобновляемых источников для швейцарского Базеля обеспечивает собственная энергоснабжающая компания. Большая часть электроэнергии поступает от гидроэнергетики и 10% — от ветра. В мае 2017 года Швейцария проголосовала за постепенный отказ от атомной энергетики в пользу ВИЭ.
Мировые столицы также не остаются в стороне. Например, Сенат Берлина утвердил план мероприятий по развитию солнечной энергетики в столице Германии «Masterplan Solarcity». В соответствии с общей стратегией развития города Берлин должен стать климатически нейтральным к 2050 году. В конце 2018 года в Берлине работали солнечных электростанций, которые покрывали 0,7% потребления электроэнергии, к 2050 году 25% энергопотребления города будут обеспечиваться за счет солнечной энергетики.
«Мы продвигаем расширение возобновляемых источников энергии в Берлине. Сейчас на рассмотрении Сената столицы находятся два законопроекта. Закон о солнечной энергии обязывает владельцев частных домов устанавливать солнечные системы на крышах. Законопроект Администрации по окружающей среде и климату сделает использование солнечной энергии в общественных зданиях обязательным уже в 2023 году. Это радикально сократит выбросы CO2 в Берлине», — рассказала руководитель фракции «Зеленые» в берлинском Сенате Зильке Гебель.
Как бизнес формирует положительный имидж, инвестируя в ВИЭ
Компании по всему миру также создают стратегии и определяют «зеленые» цели, которых они хотят достичь в течение определенного периода времени. Появилось осознание: нужно действовать ответственно и подавать экологичный пример потребителям. Конечно, использование ВИЭ может не только помочь в формировании положительного имиджа для компаний, но и снизить затраты на электроэнергию.
Так, новые серверы Facebook, а также компания General Motors будут получать энергию от солнечной электростанции. Ее строят в штате Кентукки в рамках масштабной программы Green Invest.
Химический концерн BASF будет постепенно переходить на возобновляемые источники энергии, а также планирует инвестировать в ветропарки.
Apple также ставит перед собой цель стать углеродно нейтральной. Она приобрела несколько солнечных ферм, обеспечивая устойчивую энергию для своих центров обработки данных. С 2018 года все розничные магазины, офисы и центры обработки данных Apple работают на 100% возобновляемой энергии.
Microsoft ежегодно использует более 1,3 млрд. кВт·ч «зеленой» энергии при разработке ПО, работы центров обработки данных и производства. Компания обязалась сократить выбросы углекислого газа на 75% к 2030 году.