1.ВВЕДЕНИЕ

Системная энергетика- дисциплина, изучающая общие свойства систем энергетики, их развитие и управление в условиях общего развития экономических отношений в стране или отдельных регионах. Дисциплина включена в программу обучения студентов по специальности 10.05-тепловые электрические станции Учёным советом ИрГТУ по представлению кафедры теплоэнергетики. Дисциплина базируется на обобщении дисциплин, изучаемых по данной специальности, а также включает некоторые дополнительные знания взаимодействия систем энергетики с другими сферами деятельности человека и окружающей среды.
Следует отметить, что данный курс лекций не претендует на полное изучение систем энергетики. Здесь рассматривается только часть всех проблем развития энергетики, в большей мере связанная с развитием и эксплуатацией теплоэнергетических установок. Наиболее полные системные исследования энергетики проводятся в Институте систем энергетики им. Л.А.Мелентьева СО
РАН, основа которым положена академиком Л.А.Мелентьевым.
Развитие энергетики, основного источника комфортного обитания человека и эффективности его жизнедеятельности, давно тревожит не только науку, но и общество в целом. Быстрый прирост населения земли, интенсивное развитие всех отраслей энергетики, возрастающее воздействие на окружающую среду, конечность большинства первичных энергоресурсов - вот неполный комплекс проблем, которые необходимо решать не только для отдельных стран и регионов, но и в мировом масштабе. Предсказания о конечности энергоресурсов, о мировом «энергетическом голоде», о глобальном загрязнении окружающей среды вплоть до «тепловой смерти» Земли высказывались неоднократно с начала ХХ-го века. Хотя они оказались несостоятельными, но проблемы остались, тем более что негативные последствия развития энергетики накапливаются, и всё больше проявляются, особенно в промышленно развитых странах.
К настоящему времени опубликовано много работ, обоснованно доказывающих, что известных и предполагаемых энергоресурсов достаточно для обеспечения потребности в энергии до конца ХХI-го века. Но для этого необходимо пересмотреть энергетическую политику, делая упор на снижение удельного энергопотребления и сбережения окружающей среды.
В связи с этим, по-видимому, в ближайшие 50-60 лет произойдут коренные изменения в структуре энергобаланса, а именно:
-продолжение роста абсолютного потребления энергии, причём потребление первичных энерго ресурсов стабилизируется на уровне, примерно на порядок выше, чем в данное время;
- повышение роли новых технологий энергии, базирующихся на практически неисчерпаемых первичных ресурсах;
- увеличение затрат на разработку и освоение новых источников энергии и новых технологий преобразования, транспорта и использования энергии;
- образование глобальных и международных систем энергетики в отличие от преимущественно национальных в настоящее время;
- рост эффективности использования энергии при увеличении доли электроэнергии в энергобалансе мира.
Часто возникает вопрос - нужно ли прогнозировать развитие энергетики (и не только энергетики) на 40-50 лет вперёд, когда прогнозы не оправдываются и на более близкие перспективы. Да, необходимо, имея в виду, что основная цель прогнозных исследований заключается в изучении основных тенденций и пропорций в развитии энергетики при некоторых предпосылках условий развития энергетики в предстоящий период и выявления возможных «узких мест». Это позволяет заблаговременно предусмотреть более гибкую энергетическую политику. Здесь главное не упустить «время» и не принимать поспешных решений после свершившегося факта.
Так, после энергетического кризиса 1973-1974гг., когда значительно возросли цены на жидкое топливо, у нас в стране резко изменилась энергетическая политика на использование мазута на ТЭС. Более яркий пример
- существующее положение в экономике и, соответственно, в энергетике.
В ходе изучения данной дисциплины употребляются понятия: «системная энергетика», «системный подход», «система» и т.п. Понятие «системы» чаще всего определяется конкретной областью науки (техническая, биологическая, экономическая, политическая и т.д.). В общем виде для понятия «система» можно привести следующие определения:
1.Система-это множество элементов, находящихся в таких отношениях и связях между собой, которые образуют определённую целостность и единство.
2.Система-это организованное множество, образующее целостное единство.
3.Система-есть множество связанных между собой компонентов той или иной природы, обладающее вполне определёнными свойствами; это множество характеризуется единством, которое выражается в интегральных свойствах и функциях множества.
Во всех примерах основой определения «системы» является «множество» и
«единство». На примере этого понятия приведём понятие «система энергетики».
Система энергетики есть множество компонентов, объединённых единством цели - создание комфортных условий жизнедеятельности человека посредством преобразования видов энергии. Данное определение не претендует на полное точное определение систем энергетики.
Другое определение: система энергетики - это производственная система, созданная человеком, тесно связанная с окружающей средой от получения первичной энергии до преобразования.
Образование и развитие систем энергетики, взаимосвязанной со всеми другими производственными, экономическими, социальными, биологическими системами, есть объективное формирование и не зависит от политической
(правящей) системы, а результат экономического и технического развития общества. Разумеется, политическая властная структура влияет на темпы развития, но не в глобальном общем направлении её развития.
Общую, большую систему энергетики для возможности её анализа и синтеза, подразделяют на ряд функциональных систем энергетики-компоненты системы: топливодобывающие, нефти - и газоснабжающие, электроэнергетические, ядерно- энергетические и др. Основными целями исследования и управления системой энергетики независимо от времени являются:
1).определение оптимальных темпов и пропорций в развитии всех компонентов системы энергетики;
2).своевременное выявление элементов новой техники, которые могут обеспечить решение основных задач научно-технического прогресса, создание условий для современной разработки и освоения такой техники;
3).обеспечение наиболее эффективного использования основных материальных, энергетических и трудовых ресурсов.
При этом важным фактором при управлении системой энергетики является время - чем больше время перспективного анализа, тем выше неопределённость принятия решения. Поэтому перспективные исследования необходимо разбивать по времени на ряд этапов. В конце каждого этапа проводится анализ прошедших периодов, выявляются основные тенденции в развитии энергетики и с учётом этого намечаются ближние и дальние корректирующие решения. В кризисные и переходные периоды в экономике и политике следует такой анализ проводить как можно чаще (ежегодно).
Энергетика в настоящее время превратилась в сложную совокупность процессов от получения природных энергоресурсов и их преобразования до конечных видов энергии в многофункциональном хозяйстве страны. Энергетика уже не обособлена границами одной страны. Процессы, происходящие в отдельной стране, влияют на развитие энергетики в других странах и регионах мира.
Примеров последнего можно привести много. Это и экспорт энергоресурсов, межрегиональные передачи электроэнергии, это и явления энергетических кризисов и аварий на АЭС, перенос выбросов в атмосферу других стран от ТЭС.
При исследовании системы энергетики выделяют следующие специфические её свойства:
1).существование совокупности компонентов системы энергетики как единого материального целого в силу вещественности многих связей - электрических, трубопроводных, транспортных, информационных, внутренних – при взаимозаменяемости продукции отдельных подсистем и элементов;
2).универсальность и большая народно-хозяйственная значимость продукции, особенно электроэнергии и жидкого топлива, а, следовательно, множество внешних связей;
3).активное влияние на развитие и размещение производственных сил;
4).сложность систем энергетики не только на уровне страны, но и отдельных регионов и ЭЭС, что требует соответствующих методов управления;
5).работа основных подсистем энергетики на совмещённую нагрузку в силу неразрывности многих процессов производства и потребления энергии;
6).активная взаимосвязь с окружающей средой, включая человека.
Учитывая свойства систем энергетики, при исследовании любых её компонентов необходим системный подход, т.е. учёт всей совокупности внешних и внутренних связей. Разумеется, всё учесть при решении конкретной задачи невозможно. Поэтому систему энергетики, как комплекс, разделяют на вертикальные и горизонтальные уровни с выделением основных связей между ними, т.е. выстраивают иерархию подсистем и связей. Затем определяют место в этой иерархии решаемой конкретной задаче, оценивают значимость внешних и внутренних связей. И только после этого находят решение или решения конкретной задачи с последующим уточнением значимости связей. Обычно решение находится после нескольких итерационных уточнений значимости и подробности учёта внешних и внутренних связей.
Рассмотрим на примере возможностей использования газа Ковыктинского месторождения. Использование этого газа в топливно-энергетическом балансе
Иркутской области возможно по-разному.
Вариант 1. В связи с плохой экономической обстановкой в области и низкой эффективности природоохранных мероприятий на малых и средних котельных газ используется как основное топливо этих установок.
Вариант 2. Учитывая мощные сосредоточенные источники загрязнения окружающей среды и более быструю окупаемость на крупных ТЭЦ, газ используется как основное топливо крупных котельных и ТЭЦ больших городов.
Вариант 3. Учитывая экономическую обстановку в регионе, Ковыктинский газ экспортировать в другие страны - Монголию, Китай, Корею, Японию. Полученный доход от экспорта частично направлять на повышение качества природоохранных мероприятий малых и крупных источников вредных выбросов.
Вариант 4. Комбинирование трёх вышеизложенных вариантов с различными пропорциями использования газа в области и экспорта за её пределы.
Вариант 5. Ресурсы, вкладываемые в разработку ковыктинского газа, вложить в модернизацию источников тепловой и электрической энергии с повышением эффективности природоохранных мероприятий.
Вариантов использования ковыктинского газа можно назвать ещё несколько, но уже видно, что решение задачи может иметь несколько вариантов. К этому следует добавить неопределённость в инвестициях, во времени, окупаемости и других факторах, учитывая нестабильность экономики и значимую неопределённость на перспективу 5-10-40 лет.

2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИКИ

Система энергетики обладает общими и индивидуальными свойствами, отражающими особенности развития энергетики, как комплекса взаимосвязанных систем – электроэнергетических, топливодобывающих, транспортных и др.
Знание общих свойств значительно помогает при решении конкретных задач на этапах проектирования или эксплуатации.
Можно выделить четыре основных группы свойств систем энергетики: структурные, развития, функционирования и управляемости. Группа структурных свойств системы отражает единство основных связей и входящих в неё элементов (подсистем), т.е. иерархичность систем. Структурные свойства раскрывают сущность взаимосвязей разных иерархических уровней и включают:
1.Целостность отдельных систем и подсистем, входящих в данную структуру, отражает степень автономности и индивидуальности систем.
2.Уровень централизации управления – отражает внешние связи системы с другими системами различного иерархического уровня.
3.Сложность структуры определяется объёмом и значимостью внешних и внутренних связей системы.
Группа свойств, характеризующих развитие системы, включает: стабильность, динамичность, инерционность и дискретность.
Стабильность – способность системы в развитии сохранять свою структуру и экономичность. Большие системы, к которым относятся системы энергетики, в своём развитии изменяют связи, элементы в относительно малом объёме. Так, ввод новых мощностей или строительство дополнительной ЛЭП незначительно перестраивает внутрисистемные связи, т.е. то, что уже действует, продолжает работать.
Свойство динамичности определяется в развитии системы как влияние настоящего состояния на будущее, т.е. во многом предопределяется развитие системы в будущем принятием текущих решений.
Свойство инерционности отражает способность системы противостоять внешним и внутренним воздействиям. Количественно инерционность системы можно измерить периодом времени от принятия решения до его реализации, изменяющие развитие системы.
Дискретность отражает скачкообразные изменения в структуре и связях при развитии системы. Она определяется строительством и пуском новых электростанций, ЛЭП и других объектов, имеющих дискретную мощность.
Например, производительность ТЭЦ по пару изменяется дискретно в соответствии с числом работающих котлов. Группа свойств, характеризующих функционирование системы, определяется комплексными свойствами экономичности и надёжности.

Экономичность – свойство системы осуществлять свои функции с минимумом овеществлённого и живого затрат при наличии определённых ограничений. Это свойство отнесено к группе функционирования, так как оно в большей мере проявляется в период эксплуатации.

Надёжность – комплексное свойство системы выполнять заданные функции при заданных условиях и ограничениях функционирования. Более подробно о комплексе свойств надёжности рассмотрено в специальном разделе.

В группу свойств, характеризующих управляемость системы, включены пять основных свойств: неполнота информации; адаптация; недостаточность определённости оптимальных решений; самоорганизованность; многокритериальность.

Основное свойство неполноты информации заключается в том, что наряду с детерминированной, значительная часть информации является вероятностной и неопределённой. Детерминированная информация относится к точной или однозначной информации. Например, на какой-то ТЭЦ установлено столько-то турбин. Вероятностная информация может быть представлена в виде функции распределения одних параметров по отношению к другим. Так, наработка на отказ труб поверхностей нагрева во времени описывается нормальным законом распределения с достаточной точностью. Неопределённая информация обычно представляется в виде диапазона значений, внутри которого параметры не поддаются описанию каким-либо законом. Например, представление о росте нагрузок в перспективе через 20-40 лет можно определить только в общем приближении в довольно большом диапазоне «от» и «до». Неполнота информации большое значение имеет при управлении развитием системы и при принятии направленности развития системы на перспективу.

Свойство адаптации в общем случае характеризуется как процесс накопления и использования информации. Это свойство особенно должно учитываться и в значительной мере создаваться при планировании развития систем. Развитие систем необходимо планировать так, чтобы при изменившихся условиях система могла с малыми затратами адаптироваться к новым условиям.

Свойство недостаточности определённости оптимальных решений о функционировании и развитии систем формируется в результате постоянного изменения условий, внешних и внутренних. Это свойство связано со многими свойствами системы и в главном, оно отвечает положению, что принимаемое решение должно иметь некоторую область неопределённости, учитывающую неопределённость и неоднозначность имеющейся информации о системе.
Так, оптимальная температура питательной воды определяется стоимостью топлива, КПД котла, коэффициентом недовыработки электроэнергии норм верхних отборов, стоимостью ПВД и т.д. Но стоимость топлива меняется, а также условия, как снижение потребности в электроэнергии на неопределённое время, ставят задачу оптимизации температуры питательной воды в разряд неопределённости внешних условий. В этой ситуации традиционные экономические критерии не подходят.
Свойство самоорганизованности заключается в способности системы выбирать решения и реализовывать их для сохранения взаимодействия с окружающей средой. Это связано свойством не целостности системы.
Многокритериальность предусматривает свойство системы оптимально функционировать по ряду направленных (или условно зависимых) критериев.
Чаще всё оптимальное функционирование определяется экономическими критериями, а также экономичность (экономичность безопасность) выступают в качестве организаций развития системы.
Перечисленные свойства не охватывают всех свойств системы, таких как энергетика, но дают общее представление о сложности взаимосвязей как между элементами систем энергетики, так и с другими технологическими, экономическими, политическими и прочими системами. При решении задач в энергетики необходимо учитывать свойства в большей или меньшей мере в зависимости от уровня задачи.

3.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МИРОВОГО ТОПЛИВНО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА

Определение потенциальных энергоресурсов Земли очень сложная задача, особенно с учётом возможных научных открытий новых источников энергии.
С развитием науки и техники в данной области предельные энергоресурсы земли постоянно уточняются. Так, в 50-е годы запасы нефти оценивались в 15 млрд.т., то в конце 60-х годов в 100 млрд.т. В настоящее время потенциальные запасы нефти оцениваются примерно выше в 2.5-3 раза.
С другой стороны - пределы роста потребления энергии человечеством.
Существует несколько методик оценки энергопотребления на одного жителя или на всё население Земли. Так, одна из теорий основана на том, что максимальное потребление оценивается в 5% тепловой энергии Солнца, воспринимаемой Землёй и слоями атмосферы. Это соответствует примерно 4000 млрд.т условного топлива. В 80-е годы население Земли использовало около
11-12 млрд.т, в настоящее время около 18-20 млрд.т. При таких темпах потребления чувство «энергетического голода» наступит к концу XXI века.
С ростом энергопотребления в силу ряда причин меняется структура потребления энергоресурсов.

Структура потребления энергоресурсов
Таблица 3.1
|Энергоресу|Потребление по годам, % |
|рс | |
| |1900 |1920 |1960 |1970 |1980 |2000 |
|нефть |2 |7 |26 |39 |36 |31 |
|природный |1 |11 |18 |22 |22 |
|газ | | | | | | |
|ядерная + | | | | | | |
|гидро |50Гкал/ч (при сроке выплаты за кредит в 5 лет).
При рассмотрении комбинированной схемы с DВС полученные экономические показатели оказываются значительно хуже, чем для ГТУ. Так, при Qор=10Гкал/ч срок окупаемости капиталовложений превышает 100 лет, а при Qор=20Гкал/ч – около 8 лет. Это связано с тем, что удельные капиталовложения для DВС существенно превышают их значение для ГТУ (примерно на 30%) и достигают
1000-1100 дол/кВт при Qор=10-20Гкал/ч.
При применении ПГУ срок окупаемости капиталовложений составляет 4.5 года, а величина ВНD-11.5% при выплате за кредит в течение 5 лет и 24% при сроке в 10 лет.

Основные показатели раздельной схемы энергоснабжения при учёте в комбинированной схеме ПГУ – ТЭЦ

Таблица 4.13

|Показатель |Тепловая нагрузка |
|Годовой отпуск тепла тыс.Гкал |260 |
|Годовой отпуск электроэнергии т.Мвт.ч |446 |
|Затраты на производство тепловой | |
|энергии млн.дол |3,82 |
|суммарные затраты на | |
|электроэнергию млн.дол |25,42 |
|ежегодные затраты млн.дол |29,24 |
|капиталовложения в котельную млн.дол |15 |

Основные показатели комбинированной схемы электроснабжения с ПГУ

Таблица 4.14

|Показатели |Тепловая нагрузка |
| |100Гкал/ч |
|Электрическая мощность Мвт |81 |
|Годовой отпуск тепла тыс.Гкал |260 |
|Годовой отпуск электроэнергии т.Мвт.ч |446 |
|Годовой расход топлива тыс.т у.т. |129 |
|Затраты на топливо млн.дол |6,502 |
|Относительная величина топливной | |
|составляющей затрат % |50 |
|Суммарные ежегодные затраты млн.дол |13 |
|Капиталовложения в ТЭЦ млн.дол |53,46 |
|Капиталовложения в пиковую котельную | |
|млн.дол |6,9 |
|Суммарные капиталовложения млн.дол |60,36 |
|Тоже, с учётом динамики млн.дол |74,2 |
|Экономия ежегодных затрат в ТЭЦ по | |
|сравнению с раздельной схемой мл.дол. |16,24 |
|Перерасход капиталовложений в ТЭЦ по | |
|сравнению с раздельной схемой м.дол. |59,2 |
|Коэффициент аннуитета |0,274 |
|Срок окупаемости капиталовложений лет.|4,5 |
| | |
|Внутренняя норма доходности при |11,5 |
|выплате за кредит в течении 5 лет % |24 |
|Тоже, в течение 10 лет % | |

Выполненные расчёты позволили определить состав основного оборудования для рассматриваемых мини ТЭЦ в зависимости от величины тепловой нагрузки.

Состав основного оборудования мини ТЭЦ

Таблица 4.15

|ТИП |Тепловая нагрузка Гкал/ч |
| |10 |20 |50 |100 |
|ГТУ |2хГТА-1* |2хГТА-2.5 |2хГТА-8 |2хГТА-20 |
| |тип ТВД-1500|тип ГТД-2500 |тип ГТД-8000 |тип АЛ-31 |
| | | | |СТЭ |
| |2хКУ-1.6 |2хКУ-4.1 |2хКУ-10 |2хКУ-24 |
|DВС |2хDВС-1.5 |2хDВС-3.5 | | |
| |2хУК-1.65 |2хУК-3.85 | | |
|ПГУ | | | |3хГТА-20 |
| | | | |3хТ-7-3.5 |
| | | | |3хКУ-29-4 |
| | | | |Q=3х18Гкал/ч|

Примечание: КУ- котёл утилизатор; УК – утилизационный контур;
* - электрическая мощность Мвт;
ХХ- тепловая мощность Гкал/ч.

Из полученных данных видно, что единичная мощность паровой турбины для ПГУ достигает 7 Мвт, а производительность КУ – от 1.6 до 20 Гкал/ч. При этом используются как судовые (ГТD), так и авиационные (ТВD, АЛ) газовые турбины. Для ТЭЦ с DВС единичная мощность дизель- генераторов составляет
1.5 – 3.5 Мвт в зоне тепловых нагрузок 10-20 Гкал/ч.
Данное оборудование выпускается отечественными заводами военного производства и может использоваться с незначительной реконструкцией для нужд малой энергетики.
Величина расчётного коэффициента теплофикации изменяется от 0.32 до 0.48 для ГТУ, от 0.33 до 0.38 для DВС и составляет 0.54 для ПТУ, что лежит в зоне, близкой к континуму.
Электрический КПД для ГТУ не имеет чётко выраженные тенденции к повышению с ростом единичной мощности газовых турбин: 28,5% при приросте 2.5Мвт и
35.5% - при 20Мвт. К этому значению приближается и КПД дизель- генераторов
35-37%, а КПД ТЭЦ при работе по конденсационному режиму достигает 50%.
Удельный расход топлива мини ТЭЦ с ГТУ лежит в диапазоне
156-222 г у.т/(кВт.ч), с ДВС –153-222 г у.т/(кВт.ч), а с ПГУ составляет
182-201 г у.т/(кВт.ч).
Приведённые выше сравнения систем энергоснабжения потребителей (и не только) в условиях изменения политики фиксирования потребовали и изменений при выполнении технико – экономических ростов.
Рассмотрим некоторые из них относительно мини ТЭЦ. Обычно при сопоставлении раздельной и комбинированной схем энергоснабжения электрическая мощность ТЭЦ, определяется по тепловым нагрузкам, сравнивалась с КЭС и котельной. КЭС в этом случае принималась как
«замещаемая мощность». Но мини ТЭЦ по мощности несоизмеримо малы с любыми
КЭС, работающими в энергосистемах. Если брать в качестве замещающей мощности КЭС такой же мощности, что и мини ТЭЦ, то данная КЭС будет не оптимальной с точки зрения энергосистемы в целом. Данное условие приведёт к некорректному приведению вариантов к равному энергетическому эффекту.
Если оставить в технико – экономических расчётах принятые ранее условия равного энергетического эффекта, то практически не возможно, обосновать целесообразность сооружений мини ТЭЦ.
Не зависимо от мощности ТЭЦ, до сих пор остаётся спорным вопрос о распределении эксплуатационных расходов. Последние годы этому вопросу уделяется повышенное внимание. Причина и сущность дискуссии по этому вопросу заключается в следующем:
1. Определённая условность принятого физического метода разнесения затрат