Электроснабжение в тепло- и электроэнергетике

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ
В ТЕПЛО- 
И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ

С.М. ЗУЕВ 
А.С. ВЕРЕЩАГИН 
Р.А. МАЛЕЕВ 
А.Е. ЧЕРНОВ

Под редакцией С.М. Зуева

Москва
ИНФРА-М
2024

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621.31(075.8)
ББК 31.2:31.3я73
 
З93

А в т о р ы:
Зуев С.М., кандидат физико-математических наук, доцент, начальник 
управления ФГУП «НАМИ», доцент кафедры оптико-электронных приборов 
и систем МИРЭА — Российского технологического университета (гл. 1–7);
Верещагин А.С., кандидат технических наук, доцент, доцент Военной академии Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого Министерства обороны Российской Федерации (гл. 2–4);
Малеев Р.А., кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры электрооборудования и промышленной электроники Московского политехнического университета (гл. 3–5);
Чернов А.Е., доктор технических наук, доцент Военной академии Ракетных 
войск стратегического назначения имени Петра Великого (гл. 6–7)
Р е ц е н з е н т ы:
Фещенко А.И., кандидат технических наук, доцент, доцент Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ);
Лавриков А.А., кандидат технических наук, доцент Московского политехнического университета

ISBN 978-5-16-018009-0 (print)
ISBN 978-5-16-111015-7 (online)

, 

m

© Зуев С.М., Верещагин А.С., 
 Малеев Р.А., Чернов А.Е., 2024

Зуев С.М.
З93 
 
Электроснабжение в тепло- и электроэнергетике : учебное пособие / 
С.М. Зуев, А.С. Верещагин, Р.А. Малеев, А.Е. Чернов ; под ред. С.М. Зуева. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 244 с. — (Высшее образование). — 
DOI 10.12737/1903340.
ISBN 978-5-16-018009-0 (print)
ISBN 978-5-16-111015-7 (online)
В учебном пособии описаны базовые теоретические основы и практические задачи в области государственной политики государств по повышению энергоэффективности. Представлены данные, касающиеся основ 
энергоаудита объектов теплоэнергетики. Подробно рассмотрены методы 
энергосбережения при производстве и распределении тепловой и электрической энергии, а также методы использования возобновляемых источников энергии и вторичных энергоресурсов. Дана информация об энергосбережении в системах освещения, а также описана методика исследований 
снижения потерь электрической энергии в распределительной сети.
Соответствует требованиям федеральных государственных стандартов 
высшего образования последнего поколения.
Предназначено для студентов бакалавриата и специалитета, обучающихся по направлениям подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 12.03.01 «Приборостроение», 12.03.05 «Лазерная техника 
и лазерные технологии», 12.05.01 «Электронные и оптико-электронные 
приборы и системы специального назначения».

УДК 621.31(075.8)
ББК 31.2:31.3я73

Список принятых сокращений

ВВП — валовый внутренний продукт
ВИЭ — возобновляемые источники энергии
ВУ — ветровая установка
ГДж — гигаджоуль
ДВС — двигатель внутреннего сгорания
ДРИ — дуговые ртутные лампы с излучающими добавками
ДРЛ — дуговая ртутная люминесцентная
ДЭС — дизельная электростанция
ЕС — Европейский союз
ЖКХ — жилищно-коммунальное хозяйство
ИЭА — инструментальный энергетический контроль
кВт — киловатт
кВт/ч — киловатт-час
ккал — килокалория
КСС — кривая силы света
м 2 — квадратный метр
м 3 — кубический метр
МДж — мегаджоуль
МПТ — Министерство промышленности и торговли Российской 
Федерации (Минпромторг России)
млн т — миллион тонн
МВт — мегаватт
МЭА — Международное энергетическое агентство
НПО — неправительственная организация
ОЭСР — Организация экономического сотрудничества и развития
ПГ — парниковый газ
ПЭЭСЭА — Протокол к Энергетической хартии по вопросам 
энергетической эффективности и соответствующим экологическим 
аспектам
ПРА — пускорегулирующий аппарат
ПУ — пусковое устройство
РС — регулирование спроса
РК — районная котельная
РН — регулятор напряжения
СО — угарный газ
СО2 — диоксид углерода
СПГ — сжиженный природный газ

СРО — саморегулируемая организация
СУ — система управления
ТЭК — топливно-энергетический комплекс
ТЭО — технико-экономическое обоснование
ТЭР — топливно-энергетические ресурсы
ТЭС — теплоэлектростанция
ТЭЦ — теплоэлектроцентраль
у.т. — условное топливо
ФСЭГ — Форум стран — экспортеров газа
ЦЭЯ (The Energy Conservation Center, Japan — ECCJ) — Центр 
энергосбережения Японии
ЭАО — электрический автономный объект
NOx — окиси азота (окись азота — NO, двуокись азота — NO2)

Введение

В настоящее время полезное использование всех видов энергии 
напрямую связано с энергосбережением [1]. По этой причине сложилось устойчивое определение энергосбережения (в соответствии 
с ГОСТ Р 51387–99 «Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения») [28], которое включает 
институцио нальные, промышленные, правовые, научные, технические и экономические аспекты для осуществления мер эффективного использования ресурсов топливно-энергетического комплекса и участия в экономическом цикле возобновляемых источников энергии [8].
В связи с этим в первую очередь необходимо разобраться с тем, 
что же должно означать слово «энергосбережение». В соответствии с ГОСТ Р 51380–99 «Энергосбережение. Методы подтверждения соответствия показателей энергетической эффективности 
энергопотреб ляющей продукции их нормативным значениям. 
Общие требования» [27], помимо оптимизации некачественного 
управления при использовании и переработке энергии, на практике 
выделяют три основных момента энергосбережения:
 
• модернизация и обновление оборудования, что приводит к снижению потерь энергии;
 
• полезное вторичное применение потерь энергии;
 
• интенсивный процесс энергосбережения.
В качестве примера устранения потерь энергии можно привести 
опыт использования промышленных тепловых отходов в части обогрева теплиц [9]. При модернизации и оптимизации конструкции 
потери энергии в уже применяющемся оборудовании заметно снижаются, однако алгоритмы и устоявшиеся принципы технологий 
не меняются. Интенсивная экономия энергии в данном случае 
под разумевает полную реконструкцию оборудования, а также введение новых принципов работы, что приводит к значительному 
улучшению эффективности потребления энергии. Примером этого 
может служить замена двигателей внутреннего сгорания в автомобилях электродвигателями.
В результате освоения материалов учебного пособия обучающиеся будут:
знать
 
• методики и способы оперативного изменения схем, режимов работы электропередач, сетей и систем;

• методы выбора средств измерений параметров устройств тепло- 
и электроэнергетики;
 
• принципы, используемые при проектировании комплексов 
тепло- и электроэнергетики;
уметь
 
• разрабатывать методики и способы оперативного изменения 
схем, режимов работы электропередач, сетей и систем;
 
• проводить измерения параметров комплексов тепло- и электроэнергетики;
 
• применять методы испытаний и организовывать опытную проверку систем автоматики приборов тепло- и электроэнергетики;
владеть
 
• способами и приемами работы с компьютером как средством 
управления информацией;
 
• методами проектирования, испытаний и диагностики;
 
• методами планирования испытаний;
 
• основными методами диагностики систем комплексов тепло- 
и электроэнергетики.
Предназначено для студентов бакалавриата и специалитета, 
обучающихся по направлениям подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 12.03.01 «Приборостроение», 12.03.05 
«Лазерная техника и лазерные технологии», 12.05.01 «Электронные 
и оптико-электронные приборы и системы специального назначения».

Глава 1. 

ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТИКА 
ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

1.1. АКТУАЛЬНОСТЬ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В РОССИИ И В МИРЕ

Виды первичных энергоресурсов. В рамках энергохозяйства 
предприятия различают первичные и вторичные энергоресурсы. 
Первичные — энергоресурсы, поступающие на предприятие в готовом для потребления виде или специально вырабатываемые 
непосредственно на предприятии для осуществления технологических или вспомогательных, сервисных целей. Вторичные энергоресурсы, или «энергетические отходы», — энергоресурсы, образующиеся как попутные при осуществлении технологических процессов [10].
Возможные виды первичных энергоресурсов: уголь, кокс, горючие сланцы, отходы древесины, торф, природный газ, тепловая 
энергия (пар, горячая вода), электрическая энергия, сжатый воздух, 
хладагенты (жидкий азот, кислород, фреон), технологическая и хозяйственно-питьевая вода. Вторичные энергоресурсы — технологические газовые и жидкостные отходы, конденсат, отработанный 
пар, органические отработанные растворители, дымовые газы, био газ, сточные воды, вентиляционные выбросы [12, 13].
Условное топливо, первичное условное топливо, нефтяной 
эквивалент. Как известно, топливо — любое вещество, способное 
при горении (окислении) выделять значительное количество 
энергии в виде теплоты. Д.И. Менделеев называет топливом 
горючее вещество, «умышленно» сжигаемое для получения 
теплоты [15].
Различают «рабочую массу» топлива:

 
СR + НR + ОR + NR + SR + АR + WR = 100%.  
(1.1)

Здесь слева элемен ты рабочего топлива в процентах от общей 
массы топлива (С — углерод, H — водород, О — кислород, N — азот, 
S — сера, А — зола, W — вода, R — индекс, показывающий, что процентный состав отдельных элемен тов отнесен к горючей массе), 
подчеркнутые элемен ты — балласт, а именно влага, содержащаяся 
в топливе совместно с золой, называемая балластом топлива.

«Горючая масса» топлива: 
 
СR + НR + OR +NR + SR = 100%.  
(1.2)
Верхний индекс в этой формуле показывает, что процентный состав отдельных элемен тов отнесен к горючей массе.
Теплота сгорания Q является основной характеристикой любого вида топлива. Причем ее определяет наличие горючей массы 
в рабочей массе топлива. Количество тепла, кДж, которое вырабатывается при полном сгорании Qсг, кДж/кг, или в системе единиц 
измерения, в которой основными единицами являются метр, килограмм-сила и секунда (МКГСС), ккал/кг, определяет тепло сгорания твердого и жидкого топлива. Теплоту сгорания газообразного 
топлива относят к одному кубическому метру (1 м 3). Наибольший 
практический интерес представляет теплота сгорания рабочей 
массы натурального топлива Qн
р. Поскольку в продуктах сгорания 
топлива, содержащего водород и влагу, будет содержаться водяной 
пар Н2О, вводится понятие высшей теплоты сгорания [8].
Высшей теплотой сгорания рабочего топлива называют 
теплоту, выделяемую при полном сгорании 1 кг топлива, считая, 
что образующиеся при сгорании водяные пары конденсируются.
Низшей теплотой сгорания рабочего топлива называют 
теплоту, которая выделяется при полном сгорании одного килограмма топлива, за вычетом теплоты, которая тратится на испарение воды, содержащейся в топливе, а также влаги, образующейся 
от сгорания водорода.
Для сравнения качества работы различных теплоэлектростанций 
(ТЭС) вводят понятие «условное топливо» (у.т.) — Qу.т.
Условным называют топливо, теплота сгорания одного килограмма или одного метра кубического которого равна 29 330 кДж/кг, 
или 7 000 ккал/кг. При переводе действительного топлива в условное 
топливо возможно использование соотношения вида

 

р
р
н
н
к
к
Э
в системе МКГСС
Э
29 330
7000
Q
Q
=
=
. 
(1.3)

Здесь Эк — калорийный эквивалент, указывающий, какая часть 
теплоты сгорания условного топлива соответствует низшей теплоте 
сгорания рассматриваемого топлива.
Расход условного топлива

 

р
н
ус
у.т

В
В
Q
Q
⋅
=
, 
(1.4)

где В — расход рассматриваемого натурального топлива; Qн
р — 
теплота сгорания рассматриваемого натурального топлива.

Например, ТЭС сожгла 1000 т бурого угля, Qн
р = 3500 ккал/кг, 
это значит, что станция израсходовала 500 т у.т.:

 

р
н
ус
у.т

В
1000 3500
В
500 т у.т.
7000
Q
Q
⋅
⋅
=
=
=
 

Таким образом, «условное топливо» — единица учета органического топлива, применяемая для сопоставления эффективности 
различных видов топлива и суммарного их учета.
При анализе энергопотребления региона или конкретного объекта обыч но не принимаются во внимание затраты энергии на добычу топлива, его транспортировку потребителю, подготовку 
или переработку. Поэтому помимо понятия «условное топливо» 
вводится понятие «первичное условное топливо», в котором учитываются ранее указанные затраты энергии с единицей измерения 
«тонна первичного условного топлива» (т п.у.т.) [19].
При переводе всех компонентов энергопотребления предприятия на первичное условное топливо определяются реальные 
затраты на топливо в государстве для обеспечения работы всех существующих компаний. 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. 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 также необратимые потери при преобразовании 
электрической энергии в тепловую, т.е. вычисления необходимо 
проводить с учетом коэффициента полезного действия (КПД) 
электрической станции.

Известно, что затраты первичного условного топлива — 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 [24].
Известно, что на добычу 1 тыс. м 3 газа в среднем в Российской 
Федерации тратится 0,6 кВ·т ч электроэнергии; 0,0057 Гкал тепловой энергии; 5,5 кг у.т. котельно-печного топлива. Это означает, 
что в пересчете на условное топливо на добычу 1 тыс. м 3 газа тратится порядка 7 кг у.т. Дальнейшая переработка требует определенных затрат. Так, на переработку 1 тыс. м 3 газа тратится топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в объеме 16,9 кг у.т., электроэнергии 14,5 кВт·ч, тепловой энергии 0,023 Гкал, и в том числе 
котельно-печного топлива в объеме 6,5 кг у.т. Если в расчетах учитывать транспортировку для полезного использования 1 тыс. м 3 
природного газа, то в данном случае тратится 1,35 т у.т. В итоге все 
это образует затраты первичного условного топлива при полезном 
использовании 1 тыс. м 3 природного газа.
При применении угля в качестве топлива для котлов и печей наибольшие затраты приходятся на его добычу. В разрезе по составляющим электроэнергии — 12 кВт·ч, тепловой энергии — 0,0265 Гкал 
и котельно-печного топлива — 150 кг у.т. в расчете на 1 т угля. 
Также стоит отметить, что энергия тратится как при обогащении 
угля, так и при его перевозке железнодорожным, автомобильным, 
речным и другими видами транспорта. В данном случае суммарный 
расход первичного топлива на основе 1 т энергетического угля 
на все вышеперечисленные единицы учета составляет величину 
порядка 0,655 т п.у.т.
Расчетные коэффициенты конверсии потреб ляемого котельнопечного топлива, которые выражаются в условном топливе, на первичное для 1 т у.т. составляют:
 
• для мазута — 1,107 т п.у.т.;
 
• для энергетического угля — 1,065 т п.у.т.;
 
• для газа — 1,167 т п.у.т.
В среднем для полезного потребления 1 т котельно-печного 
топлива необходимо получить 1,134 т п.у.т., т.е. средний коэффициент конверсии в данном случае будет равняться 1,134.
Нефтяной эквивалент является еще одной универсальной мерой 
потребления органического топлива и энергии. Он обозначается 
аббревиатурой Toe (англ. Tonne of oil equivalent). Данное понятие 
чаще всего встречается в иностранной литературе. За нефтяной эк