Рост городов и развитие систем энергоснабжения

Повышение материального благосостояния и культурно-быто­вых условия жизни населения в значительной мере зависит от функционирования и развития городских систем энергоснабжения. Под системой энергоснабжения города понимают совокупность инженерных сооружений, энергетических установок и коммуника­ций, обеспечивающих генерирование, преобразование, распределе­ние и использование топлива и энергии потребителями, размещен­ными на территории города. В состав этой системы жизнеобеспе­чения входят подсистемы топливоснабжения, теплоснабжения и электроснабжения городов.

Выполняя функции энергообеспечения, данная система, с од­ной стороны, является частью энергетического хозяйства страны, а с другой, - особым видом инженерного обеспечения городов. По­этому развитие систем энергоснабжения городов зависит как от факторов, действующих внутри топливно-энергетического ком­плекса страны, так и от факторов, определяющих развитие городов.

Согласно действующим нормам проектирования все вновь со­оружаемые и реконструируемые здания независимо от класса и на­значения должны быть оборудованы всеми видами благоустройст­ва. В частности, они должны быть электрифицированы и газифици­рованы, иметь внутренний хозяйственно-питьевой водопровод и канализацию, системы отопления, вентиляции и кондиционирова­ния, горячего водоснабжения, лифты, мусоропроводы, средства связи, радио и телевидения. Для этого необходимо создать спе-цильную инженерую инфраструктуру, способную обеспечить все­ми видами топлива и энергии здания, городской транспорт, систе­мы уличного освещения, водопровода и канализации, теплоснаб­жения и другие коммунально-бытовые нужды города.

В настоящее время из общего количества потребляемых в стране энергоресурсов около 20% расходуется на жилищно-комму­нальные и бытовые нужды населения. С учетом внутригородского транспорта, межгородских пассажирских перевозок и рекреацион­ной деятельности населения эта доля увеличивается до 35%. Следу­ет отметить, что уровень энергетического обеспечения оказывает существенное влияние на затраты труда по самообслуживанию на­селения. По оценкам академика Л. А. Мелентьева, совершенная

система энергообеспечения может дать значительную, сопостави­мую с производственной деятельностью, экономию времени. С по­мощью энергетики создаются условия для сокращения трудовых затрат, увеличения свободного времени, более полного удовлетво­рения культурных и бытовых потребностей населения. В табл. 1.1 приведены затраты времени населения на самообслуживание.

Таблица 1.1

Затраты времени населения на	самообслуживание
Наименование		Система энергообеспечения
процесса	несовершенная	чел.-ч	%	совершенная	чел.-ч	%
Отопление	Отопитель-		5,4	Централизован-	_	_
	ные печи			ное теплоснаб-
				жение
Приготовление	Огневые пе-		16,2	Газовые и элек-		16,5
пищи	чи, керосин-			трические пли-
	ки и т. п.			ты
Стирка	Ручная		4,0	Стиральные		2,0
				машины, горя-
				чая вода
Уборка поме-	Ручная		9,3	Электробытов ые		6,0
щений, мытье				приборы и горя-
посуды и т. п.				чая вода
Передвижения	Транспорт		26,3	Общественный		16,5
	отсутствует			транспорт
Итого			61,5			41,0
Производст-	-		38,5	_
венная деятель-
ность
Всего '

Из приведенных данных следует, что основными способами высвобождения времени, затрачиваемого на самообслуживание, является централизация теплоснабжения и механизация основных трудоемких бытовых процессов на основе электрификации и гази­фикации, а также за счет развития системы городского транспорта. Поэтому энергетика жилищно-коммунального хозяйства развивает-

ся по трем главным направлениям: электрификации, газификации и централизованного теплоснабжения.

Высокий уровень обеспечения городов топливом и энергией
требует значительных единовременных затрат на создание и разви­
тие энергетических систем. По оценкам специалистов, эти затраты
могут составить 25-30% общих затрат, необходимых для нового
строительства.

В общих ежегодных расходах энергетические затраты могут достигать 40-60%. Таким образом, система энергообеспечения зани­мает очень важное место в экономике жилищно-коммунального хо­зяйства города. Это требует не только рационального построения, но и эффективной эксплуатации систем энергообеспечения городов.

Для формирования рациональной системы энергоснабжения определяющее значение имеет характер городских потребителей топлива и энергии. В общегородском энергопотреблении целесооб­разно выделить три группы потребителей: 1) промышленность: 2) жилые и общественные здания; 3) коммунальные потребители общегородского назначения.

Процессы энергопотребления в жилищно-коммунальном хо­зяйстве городов в зависимости от целевого назначения классифи­цируются следующим образом: 1) освещение (квартир, обществен­ных зданий, улиц, реклам и др.); 2) культурно-бытовые нужды (ки­но, театры, стадионы, связь, радио и телевидение); 3) силовые про­цессы, например, двигатели внутреннего сгорания на транспорте, электропривод бытовой техники, лифтов, вентиляторов, насосов и других установок и электропривод технологического оборудования предприятий бытового обслуживания; 4) термические процессы, потребляющие тепловую энергию различного потенциала: а) высо­котемпературные, связанные с нагревом (термообработкой) и. в ча­стности, приготовлением пищи в жилых домах и на предприятиях общественного питания; б) среднетемпературные, связанные, на­пример, с применением пара в прачечных, химчистках и фабриках-кухнях; в) низкотемпературные, включая отопление, вентиляцию и кондиционирование, а также горячее водоснабжение жилых и об­щественных зданий; г) криогенные, например разделения и сжиже­ния газов, охлаждения, замораживания идр.

В табл. 1.2 приведена примерная структура энергетического баланса жилищно-коммунального хозяйства города.

Таблица 1.2 Энергетический баланс жилищно-коммунального хозяйства города

		Структура потребления энергии,	%
Наименование процесса		энергоносителям	по процессам	- —
	э/э	т/э	т	всего	э/э	т/э	т	всего
Освещения		-	-				-
Силовые		-	-			-	-
Высокотемператур-		-				-
ные
Средне- и низкотем-
пературные
Итого

Примечание, э/э -электроэнергия, т/э -теплота, т- топливо.

Из приведенных данных видно, что в энергобалансе жилищно-коммунального хозяйства ведущее место занимают низкотемпера­турные процессы - отопления, вентиляции и горячего водоснабже­ния - 75%, высокотемпературные процессы - 17%, силовые - 5% и освещения - 3% от общего потребления энергоресурсов. Электро­энергия расходуется в основном на силовые процессы - 50% и ос­вещение - 34%. Теплота в виде пара и горячей воды идет на средне-и низкотемпературные процессы. Топливо расходуется на произ­водство теплоты - 79% и осуществление высокотемпературных процессов - 21 %. Для освещения и силовых процессов использует­ся исключительно электроэнергия.

Высокотемпературные процессы осуществляю гея с использо­ванием топлива - 94% и электроэнергии - 6%. Для удовлетворения потребностей города в энергии используются: 1) топливо (уголь, газ, мазут и др.) для отопления, приготовления пищи и производства те­плоты; 2) электроэнергия для освещения, культурно-бытовых, сило­вых и термических процессов; 3) теплота для теплоснабжения жи­лых и общественных зданий.

1.3. Характеристика схем энергоснабжения

В настоящее время в нашей стране в основном применяются комбинированные схемы энергоснабжения. В отличие от децентра-

лизованной, индивидуальной схемы энергоснабжения, в которой в качестве основного энергоресурса используется органическое топ­ливо, в комбинированных схемах энергоснабжения используются несколько энергоресурсов. Реализация принципа комбинирования во многих случаях становится источником повышения эффектив­ности энергетического хозяйства, благодаря комплексному исполь­зованию энергоресурсов.

Для энергоснабжения городов в настоящее время могут при­меняться следующие основные схемы.

1. Теплоэлектрическая, при которой электроэнергия использу­-
ется для освещения, приготовления пищи, бытовых и силовых про­
цессов, при централизованном теплоснабжении систем отопления,
вентиляции и горячего водоснабжения.

2. Частично теплоэлектрическая, которая отличается от пер­
вой приготовлением пищи не на электрических, а на топливоис-
пользующих плитах (дровяных, угольных, газовых).

3. Газоэлектрическая, при которой электроэнергия подается
только для целей освещения, силовых и бытовых процессов, а при-­
родный газ используется для приготовления пищи и горячей воды,
а также для отопления и вентиляции.

4. Смешанные — теилогазоэлектрические, когда электроэнер-­
гия подается для целей освещения, бытовых и силовых процессов;
отопление и вентиляция осуществляются от централизованных ис­
точников теплоснабжения, природный (искусственный) газ исполь­
зуется для приготовления пищи, а горячее водоснабжение осущест­
вляется за счет централизованных источников теплоснабжения ли­
бо за счет газовых водонагревателей.

Теплогазоэлектрическая схема в настоящее время является наи­более характерной для городов Российской Федерации. При ее ис­пользовании наиболее важным следует считать вопрос о выборе ис­точника получения теплоты низкого потенциала, в качестве которых можно использовать газовые колонки (водонагреватели), котельные установки (КУ) или теплоэлектроцентрали (ТЭЦ). Данную схему можно рассматривать как переходную к более совершенной тепло-электрической, при которой нужды пищеприготовления обеспечива­ются электроэнергией. Такая схема становится реально осуществи­мой на современном этапе электрификации страны. При этом возни­кает проблема выбора между электроэнергией и природным газом.

Использование природного газа для приготовления пищи зна­чительно сократило затраты времени и труда по сравнению с дру­гими видами топлива. Однако при сжигании газа выделяются вред­ные продукты сгорания и ухудшается температурно-влажный ре­жим в помещениях.

Применение в быту электроэнергии обеспечивает значитель­ную экономию времени, снижает затраты труда, улучшает экологи­ческую обстановку, позволяет автоматизировать процессы. Поэто­му в перспективе, по-видимому, можно ожидать переход к чисто электрической схеме электроснабжения городов, предусматриваю­щей электрификацию всех процессов.

При формировании современных систем энергообеспечения, как правило, рассматривают возможность создания раздельной или комбинированной схемы энергоснабжения. При раздельной схеме снабжение потребителей электроэнергией производится от энерго­системы, в которой основными источниками энергии являются крупные тепловые электростанции, работающие по конденсацион­ному циклу (КЭС). При этом основным источником централизо­ванного теплоснабжения являются станции теплоснабжения - рай­онные или квартальные котельные установки.

При комбинированной схеме энергоснабжения в качестве ис­точника электроэнергии и теплоты используются теплоэлектроцен­трали (ТЭЦ) - паротурбинные электростанции, предназначенные для совместного производства этих энергоносителей. Применение той или иной схемы энергоснабжения, как правило, дополняется специализированными системами топливоснабжения. С помощью этих систем обеспечивается подача твердых, жидких или газооб­разных видов топлива на электростанции, в котельные установки и жилые дома.

Передача и распределение энергии в городских системах энер­гообеспечения осуществляется с помощью коммуникаций: 1) элек­троэнергия - по воздушным и кабельным линиям электропередачи, 2) теплота в виде пара или горячей воды - по тепловым сетям, 3) при­родный газ - по газовым сетям. Кроме того, в системы энергообеспе­чения включаются внутренние коммуникации и энергоиспользующее оборудование коммунально-бытовых потребителей города.

Таким образом, выбор рациональной схемы энергоснабжения города является весьма сложной технико-экономической задачей.

Для решения этой задачи требуется глубокое изучение всех аспек­тов формирования и функционирования энергетического хозяйства города, включая:

• определение потребностей в различных видах энергии и то-­
плива;

• формирование возможных вариантов схем энергоснабжения;

• выбор (вида и параметров) энергоносителей;

• определение типа, мощности и числа энергетических агре-­
гатов;

• расчет и выбор параметров энергетических коммуникаций и
энергоиспользующего оборудования коммунально-бытовых потре­-
бителей города;

• расчет капитальных и эксплуатационных затрат по сравни-­
ваемым вариантам и выбор оптимальной схемы энергоснабжения.

Вопросык главе 1

1. Что понимают под энергией и энергоресурсами?

2. Что входит в топливно-энергетический комплекс страны?

3. Какое влияние оказывает энергетика на городское хозяйство?

4. Дайте характеристику основных схем энергоснабжения городов.

Глава 2 ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ

2.1. Общая характеристика системы топливоснабжения

Проблема обеспечения возрастающих потребностей в энерго­ресурсах является одной из самых актуальных для всех стран мира. Абсолютные масштабы использования угля, нефти, природного газа постоянно увеличиваются.

Для сопоставления различных видов топлива вводится поня­тие условного топлива (у. т.), при сжигании 1 кг которого выделя­ется 7 000 ккал теплоты, или нефтяного эквивалента (н. э.) с тепло­той сгорания 10 000 ккал/кг н. э. Специалисты дают следующие оценки доказанных запасов органических топлив (млрд т у. т., в скобках дополнительные запасы): твердое топливо - 1280 (3860), нефть 138 (51), нетрадиционная нефть - 19 (434), природный газ -105 (223), уран - 37 (46). Этих запасов достаточно, чтобы обеспе­чить современный уровень потребления угля в течение 430 лет, неф­ти - 35 лет, природного газа - 50 лет. Таким образом, положение с нефтью и газом будет все более напряженным, что потребует вовле­чения дополнительных, как правило, более дорогих ресурсов. Что касается твердого топлива, то его запасы достаточно велики. Вместе с тем крупномасштабное освоение угольных ресурсов является сложной задачей, решение которой требует значительных капиталь­ных вложений в освоение месторождений, транспорт и установки потребителей, а также преодоление экологических трудностей.

Наша страна обладает уникальными запасами органического топлива, позволяющими не только удовлетворять собственные по­требности, но и экспортировать его в другие страны. Крупнейшие запасы угля сосредоточены в Печорском, Кузнецком, Канско-Ачинском, Ленском, Тунгусском и Таймырском бассейнах. Так, на­пример, общегеологические запасы Кузнецкого бассейна оценива­ются в 120 млрд т, в том числе коксующихся углей - 45,6 -млрд т. По доступности для промышленного освоения (90% угля можно разрабатывать открытым способом), по высокому качеству Кузнец­кий бассейн не имеет себе равных.

Нефтегазоносными провинциями России является Волго-
Уральская, Северокавказская, Тимано-Печорская, Западно- и Вос­
точно-Сибирские, Дальневосточная. Потенциальные запасы только
газовых месторождений составляют 25% мировых запасов этого то-­
плива. В табл. 2.1 приведена примерная оценка потенциальных и
разведанных (доказанных) природных энергетических ресурсов
страны.

Таблица 2.1 Характеристика запасов природных энергетических ресурсов

Вид ресурса		Запасы ресурсов
потенциальные	разведанные
млрд т у. т.	%	млрд т у. т.	%
Уголь		94,6		79,6
Природный газ		4,1		10,2
Нефть		нет данных
Гидроэнергия		1,3		10,2
Ядерная энергия		нет данных
Итого

Несмотря на то, что оценка запасов всегда достаточно услов­на, приведенные цифры, особенно с учетом запасов нефти, урана и других источников, подтверждают вывод о том, что наша страна надежно обеспечена собственными энергетическими ресурсами.

По мере развития экономики спрос на топливно-энергети­ческие ресурсы возрастает, что требует своевременного и опере­жающего развития топливоснабжающих. отраслей экономики. Ди­намику и уровень развития систем топливоснабжения можно про­иллюстрировать данными, приведенными в табл. 2.2.

Доля топлива в общем объеме первичных энергоресурсов страны составляет 95%. В 1990 г. энергетический потенциал СССР составил около 2,3 млрд т у. т. в год. За последние 10 лет уровень производства энергоресурсов уменьшился до 1525 млрд т у. т. или в 1,5 раза.

Удовлетворение потребностей страны в различных видах топ­лива осуществляется специализированной системой топливоснаб­жения. Эта система включает в себя комплекс объектов по добыче

(производству), транспорту, переработке и хранению минерального топлива. По видам энергоресурсов, поставляемых потребителям, эти объекты объединены в три специализированные отраслевые подсистемы: газо-, нефте- и углеснабжения.

Таблица 2.2 Динамика производства энергоресурсов

Вид pecvpca	I960
	млн т у. т.	%	млн т у.т.	%	млн т у.т.	%
Уголь				23,2		18,3
Нефть				42,1		29,5
Природный газ				25,3		43,2
Гидроэнергия				3,0	нет данных
Ядерная энергия		0,1		1,0	137*	9,0
Прочие		9,9	ПО	5,4	нет данных
Итого

* На уровне 1990 г.

Основными потребителями топлива в настоящее время явля­ются промышленность - 61% от общего объема, жилищно-коммунальное хозяйство - 20%, транспорт - 12%, сельское хозяй­ство - 7%. Одной из главных особенностей развития топливно-энергетического комплекса следует считать рост расходов топлива на производство преобразованных видов энергии. Так, в настоящее время примерно 36% топлива используется на электростанциях, 12% - в крупных, 13% - в мелких котельных, 20% - в промышлен­ных печах и 19% - в двигателях и механизмах.

В настоящее время в основном достигнут высокий уровень энергетического обеспечения населения. Абсолютный уровень ду­шевого потребления энергоресурсов (6,3 т у. т./чел.). в Российской Федерации в 1,5-2 раза превышает достигнутый в Западной Европе, хотя и уступает во столько же раз США. Показатели выработки электроэнергии на душу населения (4,8 тыс. кВт-ч/чел.) примерно равны его значениям в странах Западной Европы, но в 2,5 раза меньше, чем в США.