С понятием энергия человек сталкивается постоянно и подчас не задумывается о глубоком смысле и широте его. Энергия определяется как общая количественная мера различных форм движения материи. В соответствии с разнообразием форм движения и различают механическую, тепловую, электрическую, ядерную, химическую и другие виды энергии.
В соответствии с законом сохранения, открытым М.В. Ломоносовым, энергия не теряется, а сохраняется и преобразуется в другие виды энергии.
Поэтому энергия является тем стержнем, который связывает воедино все процессы и явления материального мира. Для объектов энергетики энергетический анализ является основным инструментом исследования процессов преобразования энергии с проверкой на каждом этапе технологического процесса выполнения условия баланса энергии. В процессе преобразования часть энергии может изменять свой вид, что часто усложняет количественный учет и проверку баланса.
Именно потребности измерений энергии на заре развития электротехники стимулировали активное обсуждение на международных выставках 1851 года в Лондоне и 1855 года в Париже необходимости введения единой системы мер и весов. На I Международном конгрессе электриков, состоявшемся в 1881 году, был предложен проект полной системы единиц СГС, в основу которой были положены сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени. Но применение этой системы в инженерных расчетах создавало определенные трудности из-за малости основных единиц. В 1918 году во Франции, а в 1927 году и в СССР была принята система единиц МТС на основе метра, тонны и секунды. Однако и она оказалась неудобной, но уже из-за другой крайности.
В октябре 1960 года XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила проект единой системы единиц, над которым специальная комиссия работала с 1954 года. Эта система стала известна под наименованием Международная система единиц СИ. В 1961 году в СССР был утвержден ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц», которым устанавливалось предпочтительное применение единиц СИ во всех областях науки, техники, образования и народного хозяйства.
Основными единицами СИ являются семь следующих единиц: длины – метр, массы – килограмм, времени – секунда, силы электрического тока – ампер, температуры – кельвин, количества вещества – моль, силы света – кандела.
Кроме основных единиц в состав СИ вводится большое число производных величин, определяемых по отраслям науки и техники. Ниже в табл. 3 приведены производные единицы СИ, которые применяются в электротехнике.
Таким образом, несмотря на разнообразие видов энергии все они измеряются в джоулях. Для механической работы, например, один джоуль определяется работой, выполненной единицей силы на пути в один метр, т.е. 1Дж=1Н·1м.
Производные единицы системы СИ Таблица 3
Величина
Наименование
единицы
Обозначение
единицы
Выражение
через удобные
единицы
Выражение
через основные
единицы
Частота
герц
Гц
–
с-1
Сила
ньютон
Н
–
м кг с-2
Давление
паскаль
Па
Н/м2
м-1 кг с-2
Энергия,
работа
джоуль
Дж
Н м
м2 кг с-2
Мощность
ватт
Вт
Дж/с
м2 кг с-3
Количество
электричества
кулон
Кл
–
с А
Электрическое
напряжение
вольт
В
Вт/А
м2 кг с-3А-1
Электрическая
емкость
фарада
Ф
Кл/В
м-2 кг-1 с4 А2
Электрическое
сопротивление
ом
Ом
В/А
м2 кг с-3 А-2
Электрическая проводимость
сименс
См
А/В
м-2 кг-1 с3 А2
Поток магнитной
индукции
вебер
Вб
В·с
м2 кг с-2 А-1
Магнитная
индукция
тесла
Тл
Вб/м2
кг с-2 А-1
Индуктивность
генри
Гн
Вб/А
м2 кг с-2 А-2
Наряду с единицами системы СИ и их производными в специальных областях, в том числе и в энергетике, допускается применение единиц измерения из других систем и даже внесистемных единиц. Так, например, в энергетике для измерения тепловой энергии часто используется калория, имеющая простой физический смысл: за 1 калорию принимается такое количество теплоты, которое повышает температуру 1 грамма воды на 1 градус. Эта единица может рассматриваться как теплоемкость воды, равная 1 кал/(г·град). Из физики известно соотношение калории и джоуля
1 кал=4,187 Дж.
Для измерения электрической энергии повсеместно используется внесистемная единица кВт·ч. Соотношение между кВт·ч и джоулем можно получить используя системную единицу мощности – 1 Ватт:
1 кВт·ч = 103 Вт ·3600 с =3,6 ·106 Дж.
Учитывая предыдущее соотношение можно определить связь между единицами измерения электрической и тепловой энергии
1 кВт·ч = 3,6·106/4187=860 ккал.
Для измерения больших объемов энергии, имеющих промышленное значение, а также больших и малых значений других физических величин используются приставки кратных и дольных единиц, основные из которых с шагом 1000 перечислены в табл. 4.
Приставки кратных и дольных единиц Таблица 4
Приставка
Множитель
Сокращение
русское
международное
тера
1012
Т
T
гига
109
Г
G
мега
106
М
M
кило
103
к
k
милли
10-3
м
m
микро
10-6
мк
µ
нано
10-9
н
n
пико
10-12
п
p
Применение полученных представлений об энергии и единицах измерения позволяет решать некоторые практические задачи по оценке важнейших технико-экономических показателей, которые характеризуют процессы получения и преобразования энергии с использованием в качестве первичных энергоресурсов органического топлива. Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгорания, измеряемая в кДж/кг или в ккал/кг и определяющая количество тепловой энергии выделяемой при сгорании 1 кг натурального топлива. Для объективной оценки эффективности процессов выработки энергии на объектах, которые работают на разных видах топлива, вводят понятие условного топлива (у.т.), имеющего фиксированную теплоту сгорания, равную 7000 ккал/кг.
При решении задач будет использоваться понятие коэффициента полезного действия (КПД) как отношения полезной энергии к полной затраченной, и удельного расхода топлива, т.е. расходуемого на единицу полезно отпущенной энергии.
Задача № 2.1.
Сколько воды можно нагреть от температуры to=20 0C до кипения на электроплите при расходе электроэнергии W= 1 кВт·ч , если установка работает с КПД 0=50 %.
Решение
Определим общую энергию в ккал, которая поступает в систему нагрева воды из электрической сети
Q=1кВт·ч´860 ккал/ кВт·ч=860 ккал.
Энергия, которая используется для нагрева воды
.
Из условия нагрева воды при
.
Найдём массу воды
.
Задача № 2.2
Сколько мазута расходуется на ТЭС, работающей с КПД=40%, на выработку 1 кВт·ч электроэнергии, если теплота сгорания с=10000 ккал/кг.
Решение
Определим необходимое количество тепловой энергии, которая должна поступить для выработки 1 кВт·ч при известном КПД
.
Определим массу топлива
.
Задача № 2.3
Сколько воды можно нагреть от 200С до кипения в бытовом котле, работающем с при сжигании 0,215 кг мазута, имеющего с= 10000 ккал/кг.
Решение
Количество тепла, выделяемого при сжигании мазута,
.
Объём теплоты, идущий на нагрев воды,
.
Найдём массу воды .
Рассмотренные задачи позволяют оценить эффективностьдвух технологий нагрева воды по критерию расхода первичного энергоресурса – топлива.. Сравнение их показывает, что вторая технология существенно рациональней первой и является энергосберегающей, поскольку здесь первичный энергоресурс (топливо) используется для нагрева воды без промежуточного преобразования энергии, и общий относительный КПД технологии .
В первой же технологии первичная энергия преобразуется в электрическую с КПД , а затем в тепловую, идущую на нагрев с .
Общий КПД определяется как произведение относительных КПД этапов
.
Таким образом, для оценки эффективности различных технологий необходимо составить чёткую схему последовательного преобразования энергии, оценить КПД каждого звена этой схемы и найти общий КПД как их произведение
.
Задача № 2.4
Тепловая электростанция работает с мощностью и удельным расходом топлива в =400 г у.т./кВт·ч.
Определить суточный расход условного топлива и натурального, если теплота сгорания его с=3500 ккал/кг.
Решение
Определим выработку электроэнергии за сутки
.
Найдём расход условного топлива
Определим расход натурального топлива
.
Задача № 2.5
Определить КПД тепловой электростанции, если удельный расход топлива в =312 г у.т./кВт·ч.
Решение
Полезно отпущенная электроэнергия в 1 кВт·ч эквивалентна .
На выработку её расходуется 0,312 кг условного топлива, или в тепловом эквиваленте
Определим относительный КПД ТЭС
.
Задача № 2.6
Определить общий КПД преобразования энергии на ТЭС, если процесс сжигания топлива в котле с образованием пара имеет , преобразование энергии пара в кинетическую энергию в турбине имеет , а КПД преобразования в электрическую энергию имеет .
Решение
Все три звена в схеме преобразования энергии расположены последовательно, поэтому общий КПД
.
Задача № 2.7
На электростанции работают два блока, имеющие расходные характеристики
определяющие расход топлива в т у.т. как функции от часовой нагрузки блока в МВт. Общая нагрузка электростанции .
Найти оптимальную нагрузку каждого блока.
Решение
Критерием оптимальности является минимальный часовой расход топлива
при выполнении условия баланса .
Для определения оптимального режима воспользуемся методом направленного перебора по следующему алгоритму:
1) принимаем произвольное значение мощности первого блока ;
2) по расходной характеристике определяем ;
3) определяем нагрузку второго блока ;
4) находим расход топлива ;
5) определяем общий расход ;
6) изменяем мощность с шагом =20 МВт и повторяем расчёт.
Результаты расчета приведены в табл.
P1,
МВт
P2,
МВт
B1,
т у.т.
B2,
т у.т.
B,
т у.т.
14,4
109,2
123,6
19,6
92,0
111,6
25,6
76,4
102,0
32,4
62,4
94,8
40,0
50,0
90,0
48,4
39,2
87,6
57,6
87,6
52,9
34,4
87,3
Как следует из таблицы, оптимальная мощность блоков равна Р1=130 МВт, Р2=70 МВт, а расход топлива на ТЭС В=87,3 т у.т. в час.