Одиниці вимірювання радіоактивних випромінювань

Серед різноманітних видів іонізуючих випромінювань, як уже за­значалося вище, надзвичайно важливими при вивченні питання небез­пеки для здоров'я і життя людини є випромінювання, що виникають в результаті розпаду ядер радіоактивних елементів, тобто радіоактивне випромінювання.

Щоб уникнути плутанини в термінах, варто пам'ятати; що радіоак­тивні випромінювання, незважаючи на їхнє величезне значення, є од­ним з видів іонізуючих випромінювань. Радіонукліди утворюють ви­промінювання в момент перетворення одних атомних ядер в інші. Вони характеризуються періодом напіврозпаду (від секунд до млн років), ак­тивністю (числом радіоактивних перетворень за одиницю часу), що характеризує їх іонізуючу спроможність. Активність у міжнародній системі (СВ) вимірюється в беккерелях (Бк), а позасистемною одини­цею є кюрі (Кі). Один Кі = 3,7 х 10⁹Бк. Міра дії іонізуючого випро­мінювання в будь-якому середовищі залежить від енергії випромінювання й оцінюється дозою іонізуючого випромінювання. Останнє ви­значається для повітря, речовини і біологічної тканини. Відповідно роз­різняють * експозиційну, * поглинену та * еквівалентну дози іонізую­чого випромінювання.

Експозиційна доза характеризує іонізуючу спроможність випромі­нювання в повітрі, вимірюється в кулонах на 1 кг (Кл/кг); позасистем­на одиниця — рентген (Р); 1 Кл/кг — 3,88 х 103Р. За експозиційною дозою можна визначити потенційні можливості іонізуючого випромі­нювання.

Поглинута доза характеризує енергію іонізуючого випромінювання, що поглинається одиницею маси опроміненої речовини. Вона вимі­рюється в. греях Гр (1 Гр-1 Дж/кг). Застосовується і позасистемна одиниця рад (1 рад — 0,01Гр= 0,01 Дж/кг).

Доза, яку одержує людина, залежить від виду випромінювання, енергії, щільності потоку і тривалості впливу. Проте поглинута доза іонізуючо­го випромінювання не враховує того, що вплив на біологічний об'єкт однієї і тієї ж дози різних видів випромінювань неоднаковий. Щоб вра­хувати цей ефекту введено поняття еквівалентної дози.

Еквівалентна доза є мірою біологічного впливу випромінювання на конкретну людину, тобто індивідуальним критерієм небезпеки, зумов­леним іонізуючим випромінюванням. За одиницю вимірювання еквіва­лентної дози прийнятий зіверт (Зв). Зіверт дорівнює поглинутій дозі в 1 Дж/кг (для рентгенівського та а, b випромінювань). Позасистемною одиницею служить бер (біологічний еквівалент рада). 1 бер = 0,01 Зв.

Лекція 11 Основні виробники енергетичних забруднень

В последнее время на Украине ускоренными темпами завоёвывает позиции раздельное производство электрической и тепловой энергии. В значительной степени это обусловлено недостатками её совместного производства крупными паротурбинными теплоцентралями (ТЭЦ), которые рассчитаны на обеспечение теплом большого числа потребителей. Последнее вызвало излишне высокую централизацию теплоснабжения с разветвлённой сетью теплопроводов (в г. Киеве она достигла на начало 1998г. 783 км), что привело к большим транспортным потерям тепла и росту эксплуатационных затрат трубопроводной сети. Всё это способствовало существенному подорожанию тепловой энергии и привело к строительству малых теплопунктов для обеспечения теплом отдельных промышленных предприятий, организаций, небольших жилых районов и даже отдельных зданий., В стране возник ряд предприятий, которые начали производить котельное оборудование различных схем и конструкций. Одновременно в Украину стало поступать котельное оборудование в больших объёмах из-за рубежа. Только проектом “Реабилитация и расширение централизованного теплоснабжения г. Киева” предусмотрено закупить за рубежом котлы на сумму 72,986 млн.$ .
Параллельно с бурным наращиванием количества региональных теплопунктов ряд ТЭЦ превращаются в производителей только тепловой энергии, а их электрогенерирующее оборудование отключается и демонтируется (см. киевские ТЭЦ-2, ТЭЦ-3 и др.) Кроме того, во многих регионах разрабатываются и осуществляются на практике проекты перевода целых городов (см., например, г.Севастополь) на теплоснабжение от котелен, использующих в качестве топлива природный газ.
Приведенные выше данные свидетельствуют о том, что техническая политика в области энергоснабжения страны либо не управляется, либо сознательно направляется по неправильному руслу. Ведь наши предшественники разработали и широко внедрили в практику совместное производство электрической и тепловой энергии потому, что оно значительно сокращает расход топлива по сравнению с раздельным. Так на ТЭЦ при сжигании 1000 м³ природного газа получают около 2,2 МВт электрической энергии и около 5,83 Гкал тепла. В то же время при раздельном производстве тех же количеств тепла в котельных, а электроэнергии на электростанциях (КЭС) расход природного газа составит 1354 м³, т. е. в 1,354 раза больше. В такой же пропорции увеличится и загрязнение окружающей среды.
Всё вышесказанное показывает, что ради устранения недостатков в теплоснабжении порождённых его излишней централизацией сделан крутой поворот в сторону затратной технологии производства энергии. Вместо разумной децентрализации теплоснабжения при совместном производстве электрической и тепловой энергии широким фронтом идёт строительство новых теплопунктов и волюнтаристическая замена ТЭЦ на котельные. Вместе с тем, ради справедливости, следует отметить, что децентрализация теплоснабжения от ТЭЦ, с достаточно мощным паротурбинным оборудованием задача очень сложная и дорогостоящая. Последнее обусловлено отсутствием паровых турбин малой мощности с высоким эффективным КПД.
Как показывает анализ, наиболее легко и с наименьшими затратами задача децентрализации теплоснабжения решается с помощью парогазовой технологии, основанной на парогазовых установках (ПГУ) “Водолей”. Тепловая мощность этих установок может составлять от 2...3МВт до сотни МВт, что способно удовлетворить самый широкий спектр потребителей.
На сегодня в НВО “Машпроект” уже разработано и подготовлено к серийному выпуску два типоразмера ПГУ “Водолей” ПГУ-16 и ПГУ-25 с электрической мощностью соответственно 16 и 25 МВт и электрическим КПД в условиях iso 45%. Количество и потенциал вырабатываемого тепла в зависимости от температуры окружающей среды при режиме качественного регулирования водяных систем теплоснабжения (при температурном графике 150...70°С) приведены в таблице №1. Кроме того, приведенные выше ПГУ предусматривают установку дожигающего устройства перед котлом-утилизатором, что позволяет значительно увеличить их тепловую производительность. Так, в случае установки дожигающего устройства ПГУ-16 увеличит производство тепла до 42,4 Гкал/ч.
К сказанному следует добавить, что спектр мощности парогазовых установок “Водолей” может быть значительно расширен. По желанию заказчиков в кратчайшие сроки могут быть изготовлены на базе газотурбинных двигателей ГТД-2,5 и ГТД-2500Г парогазовые установки: ПГУ-4,5 и ПГУ-45 с электрической мощностью соответственно 4,5 и 45 МВт и электрическим КПД в условиях iso 45%. Тепловая производительность этих установок без дожигающего устройства в течение отопительного сезона изменяется у ПГУ-4,5 от 2,85 до 5,1 Гкал/ч, а у ПГУ-45 от 19,2 до 34 Гкал/ч. Приведенные данные позволяют утверждать, что на базе разработанных и разрабатываемых сегодня ПГУ “Водолей” могут быть созданы ТЭЦ способные удовлетворить потребности в тепловой энергии как мелких так и крупных потребителей

При этом одновременно будет существенно снижены затраты топлива на производство электрической и тепловой энергии, что подтверждается следующими эксплуатационными и расчётными данными. В 1996 г. в стране было израсходовано 169 млн. т у.т. Из них на производство электроэнергии затрачено 23,6% или 39,884 млн. т у. т. и на производство тепла для жилищно-бытового и промышленного сектора израсходовано 30,1% или 50,869 млн. т у.т. По данным Минэнерго в том же 1996 г. удельные затраты топлива на производство электроэнергии составили 0,3654 кг у.т../ КВт.ч, а на производство тепла - 172,5 кг у.т./ Гкал и было произведено 97,47 млрд КВт.ч электроэнергии и 294,7 млн. Гкал тепла.
Если бы эта электроэнергия и тепло производились на парогазовых ТЭЦ, оборудованных парогазовыми установками ПГУ-25 с камерой сжигания перед котлом-утилизатором, то на выработку 97,47 млрд. КВт.ч было бы затрачено 34,73 млн. т у.т. Одновременно при этом за счёт этого же топлива было бы произведено 70,5 млн. Гкал тепла. Остальное не достающее тепло (224,2 млн. Гкал) было бы произведено за счёт подвода дополнительного топлива в дожигающую камеру перед котлом-утилизатором, расход которого составил бы 35,09 млн. т у.т. А полный расход топлива парогазовой ТЭЦ на производство электроэнергии и тепла составил бы 69,82 млн. т у.т.
Сравнение полученных цифр показывает, что применение парогазовой технологии совместного производства электроэнергии и тепла уменьшает расход топлива по сравнению с ныне действующей технологией на 20,933 млн. т у.т., что эквивалентно 17,33 млрд. куб м природного газа.
Одновременно с высокой экономичностью парогазовые ТЭЦ требуют для своего строительства значительно меньших капитальных вложений чем паротурбинные. Стоимость 1 кВт установленной суммарной (электрической +тепловой) мощности парогазовой ТЭЦ, у которой ПГУ имеет дожигающее устройство, составляет 67$ , а у паротурбинной около 250$ . Для сравнения также укажем, что стоимость 1 кВт установленной тепловой мощности районной котельной “Позняки”, создаваемого на базе котлового оборудования, закупаемого по упомянутому выше проекту “Реабилитация и расширение централизованного теплоснабжения г. Киева”, составляет 60,37$ , т. е. близка к стоимости парогазовой ТЭЦ. Однако стоимость вырабатываемой ими энергии разная. Следует также сказать и о том, что парогазовые ТЭЦ , в отличие от паротурбинных ТЭЦ и котельных теплопунктов, не требуют химводоочистки. Это дополнительно существенно удешевляет стоимость энергоузла и производимой энергии вследствие уменьшения эксплуатационных затрат, а также не загрязняет окружающую Среду отходами химводоочистки.
В пользу всемерного расширения использования парогазовых ТЭЦ говорит и то, что они способны не только качественно обеспечить теплом производственный и бытовой секторы, но и в значительной степени улучшить функционирование электроэнергетического комплекса страны, состояние которого приблизилось к критическому. Паротурбинное оборудование тепловых электростанций было введено в действие ещё в 1960...70 годы и на начало 1998 года 98 из 104 энергоблоков отработали расчётный ресурс(100 тыс. часов) , 66 из них отработали граничный ресурс (170 тыс. часов), а 39 энергоблоков имеют уже наработку 200 тыс. часов и перешли принятую в мировой практике границу физического и морального износа. Несмотря на столь удручающее состояние энергетического оборудования пока энергетикам удаётся держать его в строю. Но, понятно, такое состояние продолжаться долго не может. И если повсеместные отключения электроэнергии сегодня происходят по причине её неоплаты потребителями, то завтра к этому добавится и выход из строя паротурбинного оборудования электростанций. В этом случае отключение электроэнергии будет не плановым, а аварийным подобно тому как это произошло в Грузии в конце 1998г. Надеяться на строительство новых паровых энергоблоков, стоимость 1 кВт установленной мощности которых превышает 1000$ против 280...320$ у ПГУ “Водолей”, не приходится.
Кроме того, Учитывая, что ПГУ парогазовых ТЭЦ способны развить полную мощность через 18...20 мин. при запуске из холодного состояния, то они могут оказать неоценимую помощь в создании экономичного парка маневренных мощностей. Такой парк в первую очередь необходим атомным электростанциям, которые в настоящее время вырабатывают 45% электроэнергии Украины и их мощность продолжает расти. Однако, без наличия необходимых маневренных мощностей этот рост ведёт к негативным последствиям, связанным с трудностями поддержания пиковых и полупиковых режимов электрических нагрузок энергосистемы страны. Это создаёт очень тяжёлый режим её работ со значительными колебаниями частоты тока. А это, в свою очередь, существенно ограничивает возможности параллельной работы энергосистемы Украины с энергосистемами центральной Европы и России и тем самым не только ухудшает стабильность электрообеспечения, но и ограничивает возможности работы на экспорт. Таким образом, отсутствие маневренных мощностей ставит на грань распада объединённой энергосистемы Украины с тяжёлыми последствиями для страны, подобным тем, которые произошли в Казахстане в октябре 1996г.
Для исключения катастрофических последствий и экономических потерь по мнению специалистов уже сейчас необходимо иметь резерв аварийных мощностей не менее 1000 МВт, хотя ситуации с маневренными мощностями в ближайшее время ещё более усложнится после введения в действие блоков Хмельницкой и Ровенской АЭС.

В настоящее время эта проблема в какой-то степени решается с помощью паротурбинных энергоблоков ТЭС, которые работают по этой причине в очень неэкономичных режимах глубокой разгрузки и даже с ночными остановками. Это приводит к существенному уменьшению эксплуатационного КПД ТЭС. Последнее наглядно иллюстрируется статистическими данными Минэнерго. В 1997г. всеми ТЭС Украины выработано 88,6 млрд. КВт.ч электроэнергии и израсходовано 34,5 млн. т у.т. (1,8 млн. т мазута, 20,58 млрд. куб м природного газа и 18 млн. т каменного угля ). Разделив тепловую энергию топлива на произведенную электроэнергию получим, что средний электрический КПД ТЭС составляет 29,5% против 35...36% при работе ТЭС в базовом режиме.
Таким образом, введение маневренных мощностей на базе парогазовых ТЭЦ не только обеспечит более надёжное функционирование электрического комплекса страны, но и позволит обеспечить работу паротурбинного оборудования ТЭС на более экономичном режиме, что дополнительно существенно снизит расход топлива.
Как отмечалось выше, одним из важных факторов широкого использования парогазовых ТЭЦ является децентрализация теплоснабжения, что существенно уменьшает транспортные потери тепла и удешевляет эксплуатацию тепловой сети. Но не менее важным является также значительная децентрализация и электроснабжения. Это позволит существенно снизить транспортные потери электроэнергии, которые по данным Минэнерго Украины составили в 1997 г. 15,81% от её произведенного количества, т. е.13,1 млрд. КВт.ч.
В связи с ужесточением экологических требований наравне с экономичностью одним из самых важных показателей всякого энергетического предприятия является загрязнение окружающей среды вредными соединениями отходов производства. Среди известных предприятий производящих электроэнергию и тепло парогазовые ТЭЦ являются наиболее экологически чистыми производствами. Содержание самых токсичных поллюантов продуктов сгорания оксидов азота в отработавших газах не превышает 40...45 мг/ куб м в пересчёте на сухие газы с 15% кислорода. Это значительно меньше норм допускаемых отечественными и зарубежными стандартами и меньше содержания оксидов азота в продуктах сгорания котловых агрегатов действующих и создаваемых на Украине теплопунктов, в том числе и оборудованных котловыми агрегатами поступающими из-за рубежа. Здесь уместно заметить, что чем меньше тепловая производительность котла тем больше удельное содержание токсичных поллюантов в их продуктах сгорания.
Одновременно с этим, как уже упоминалось выше, энергоустановки парогазовых ТЭЦ не требуют химводоподготовки, что исключает загрязнение окружающей среды отходами этого производства.
Из всего выше сказанного следует, что применение предлагаемой парогазовой технологии совместного производства электрической и тепловой энергии по сравнению с действующей сокращает загрязнение окружающей Среды как за счёт уменьшения содержания вредных веществ в уходящих газах так и за счёт уменьшения массы уходящих газов вследствие сокращения расхода топлива на 20,993 млн. т у.т., т.е. на 23,1%.
Подводя итог экологическому вопросу, отметим ещё одно воздействия процессов связанных с сжиганием топлива на окружающую среду. Как известно, в продуктах сгорания, кроме токсичных поллюантов оксидов азота, окиси углерода и углеводородов, в значительных объёмах содержится безвредный и даже очень необходимый для растительного мира углекислый газ, который однако, оказывает существенное влияние на климат планеты вследствии создания парникового эффекта. Для защиты от него подавляющее большинство стран подписало и ратифицировало соответствующую конвенцию ООН. Согласно этой конвенции каждой стране установлены квоты на выбросы углекислого газа. Если их не хватает, то страна обязана покупать их у тех, кто имеет излишки, или платить значительные средства на мероприятия по защите климата. По данным журнала “Gas Turbine world vol 28 No 6 ” за каждый куб м сожженного природного газа в Норвегии платят 14ц как налог на полученный при этом СО2. Учитывая, что СО2 является продуктом полного сгорания, то его масса однозначно определяется количеством сожженного топлива. Поэтому уменьшение расхода топлива на 23,1%, о чём говорилось выше, на столько же процентов уменьшит выбросы СО. Кроме того, при конденсации водяных паров в конденсаторе часть СО2 растворяется в воде, который затем можно связать в безвредные соли кальция или другие соединения и тем самым дополнительно уменьшить его выбросы в атмосферу.
Выполненный анализ возможностей парогазовой технологии для удовлетворения производственных и бытовых потребностей нашей страны в электрической и тепловой энергии показывает, что она может решить эту задачу с наименьшими затратами топлива и наименьшим загрязнением окружающей среды по сравнению с ныне действующими. Учитывая, что составляющая электрической и тепловой энергии в стоимости продукции выпускаемой заводами и фабриками Украины велика, то применение парогазовой технологии будет способствовать её существенному удешевлению. Кроме того, по своим экономическим и экологическим показателям она не имеет аналогов в мировой науке и практике и поэтому у неё есть все возможности занять передовые позиции на мировом рынке
В конце изложения хотелось бы обозначить горизонты топливного обеспечения ПГУ.
Первый источник - природный газ, который уже используется и предполагается использовать на действующих и создаваемых теплопунктах.
Второй- это газ, который высвободится на ТЭС при уменьшении работающих паротурбинных блоков.
Третьим источником природного газа должны стать подготовленные к промышленному использованию месторождения, однако пока не используются из-за большой удалённости от транспортных артерий. Только на балансе геолого-разведывательных предприятий “Полтава-нефтегазгеология” находится большое количество месторождений и только на нескольких из них ведётся добыча. Учитывая, что ПГУ “Водолей” могут изготавливаться в контейнерном исполнении, то они могут работать под открытым небом непосредственно на промыслах, исключая строительство зданий и инфраструктуры для подключения их к артериям транспорта газа.
Четвёртым источником газового топлива должны стать законсервированные скважины. Только на территории упомянутого предприятия до недавнего времени простаивало более 85 штук с суммарным дебитом не менее 3,5 млрд. куб м в год. При полном использовании этого газа можно вырабатывать с помощью ПГУ “Водолей” до 17 млрд. КВт· ч электроэнергии, что составляет около 20% от количества электроэнергии, выработанной всеми ТЭС в 1997г.
Нельзя не упомянуть ещё об одном очень важном источнике газового топлива, которым являются компрессорные станции магистральных газопроводов (КС МГ) с электроприводом. Суммарная их мощность составляет 897,2 МВт, а питаются они электроэнергией из энергосистемы страны, за которую рассчитываются газом, а последний используется на ТЭС для получения электроэнергии. И круг замкнулся. Но это порочный круг. Как отмечалось выше, эксплуатационный КПД ТЭС не превышает 29,5%. Если к этому добавить энергетические затраты на транспорт газа от КС МГдо ТЭС, а электроэнергии от ТЭС до КС МГ, то КПД опустится до 21...22%. Эти неоправданно большие расходы природного газа можно сократить вдвое, если на электроприводных КС МГ установить ПГУ “Водолей”. Причём, оптимальным вариантом будет, если мощность ПГУ превысит потребную для электропривода вдвое. Это позволит половину производимой электроэнергии направлять в энергосистему страны по имеющейся электросистеме. Такое техническое решение обеспечит получение 4,3 млрд. КВт· ч электроэнергии в год при годовой работе КС МГ 4800 часов, что составляет 8,7% от электроэнергии выработанной всеми ТЭС страны. Учитывая, что КС МГ не всё время работают на полную мощность, то эта цифра несколько уменьшится, но останется достаточно большой.
К сказанному необходимо также добавить, что большим источником резервов природного газа являются КС МГ с газотурбинным приводом, которые расходуют на собственные нужды значительное количество природного газа. В1998г этот расход составил 7,6 млрд. куб м при среднем КПД газотурбинных агрегатов примерно 25...27%. Если на КС МГ действующий газотурбинный привод заменить парогазовым (ПГУ “Водолей”) с КПД 43%,то расход природного на собственные нужды уменьшится до 4,6 млрд. куб м, т. е. на 3 млрд. куб м меньше. Этого газа достаточно что бы произвести 12,9 млрд. КВт· ч электроэнергии, т. е.14,5% от электроэнергии произведенной всеми ТЭС Украины в1997г. Кроме того, при этом было бы так же получено 11,2 млн. Гкал тепла.

N — электрическая мощность
Q — тепловая производительность
Т₁ — температура воды в подающей магистрали
Т₂ — температура воды в обратной магистрали
T_н — температура наружного воздуха
КПД — коэффициент полезного действия
ТЭС — тепловая электростанция
ТЭЦ — теплоэлектроцентраль
ПГУ — парогазовая установка

Лекція 12Теплові відходи промислових установок як джерело одержання додаткової енергії ТЕПЛОВЕ ЗАБРУДНЕННЯ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА.

Параметри і можливості використання теплових ВЕР.

Важливу роль для зменшення енергозатрат відіграє використання ВЕР – горючих і теплових. Підвищення рівня використання теплових ВЕР до 1% може забезпечити економію 1,2 млн. тон умовного палива. Крім цього буде досягатися і друга мета – охорона навколишнього середовища від теплового забруднення.

ВЕР розділяють на три основних групи –

- Надлишкового тиску – це потенціальна енергія газів, води, пари з підвищеним тиском, яка може бути використана при виході в атмосферу. Основний напрям – силовий, тобто для одержання електричної та механічної енергії;

- Горючі – це горючі гази і відходи одного виробництва, які можуть бути використані безпосередньо у вигляді палива на іншому виробництві. До них можна віднести опилки, стружку, луг в целюлозно-паперовій промисловості, тверді та рідкі відходи хімічної промисловості;

- Теплові - це фізична теплота підходящих газів : теплота золи та шлаків, теплота гарячої води та пари, теплота робочих холодоагентів після їх безпосереднього використання.

Лекція13

Параметри вторинних енергетичних ресурсів та їх класифікаціяОсновні характеристики ВЕР та їх оцінка можлива при умові прийняття основних термінів:

- використання ВЕР – це їх маса з будь-якого агрегату, використана на інших установках та системах;

- Вихід ВЕР – це маса ВЕР, які утворились в даній установці в певний період часу і придатні до використання в цей же період;

- Продуктивність за рахунок ВЕР – це кількість теплоти, холоду, електроенергії, механічної роботи одержаної в утилізаційній установці. Розрізняють 4 види продуктивності:

1) можливу – максимальна кількість енергії, яка може бути отримана при роботі установки на ВЕР;

2) економічно-доцільна – враховує вплив всіх факторів при використанні ВЕР;

3) планова – кількість енергії, яку планується отримати за певний період часу на утилізаційних установках та при модернізації існуючих ;

4) фактична – кількість енергії реально отриманої при використанні ВЕР.