Энергосистема

Энергосисте́ма

Общеэнергетическая система, объединенная система энергетики, совокупность энергетических ресурсов всех видов, методов их получения (добычи), преобразования, распределения и использования, а также технических средств и организационных комплексов, обеспечивающих снабжение потребителей всеми видами энергии. Э. называют иногда большими системами энергетики; они имеют иерархическую структуру, уровнями которой являются страна (государство), район, крупный промышленный, транспортный или с.-х. узел, отдельное предприятие. Уровню страны обычно соответствуют единые энергетические системы; уровню нескольких районов — объединенные энергетические системы; уровню одного района — районные Э., уровню объекта, не связанного с другими системами, — автономные Э. (например, предприятия, корабля, самолета). В Э. в качестве составляющих ее подсистем входят: электроэнергетические системы (состоящие из электрических систем (См. Электрические системы) и сетей теплоснабжения (См. Теплоснабжение)), системы нефте- и газоснабжения, системы угольной промышленности, развивающиеся быстрыми, опережающими темпами системы ядерной энергетики (См. Ядерная энергетика). Объединение отдельных энергоснабжающих систем в единую систему, иногда также называемую межотраслевым топливно-энергетическим комплексом, связано прежде всего с взаимозаменяемостью различных видов энергии и энергоресурсов.

Значение топливно-энергетического комплекса для хозяйства страны заключается главным образом в том, что на его основе, в зависимости от его состояния, формируются основные хозяйственные пропорции страны; на его развитие передовые в промышленном отношении страны затрачивают около 30% всех капиталовложений, причем в этом комплексе оказывается занято 15—20% всех трудящихся. Развитие и функционирование Э тесно связаны с созданием новой экономичной энергетической техники, с влиянием энергетики (См. Энергетика) на социальные и политические процессы как внутри страны, так и в международных отношениях, на размещение промышленности и населения по стране, с влиянием энергетики на окружающую среду.

Рассматривая Э. с точки зрения обеспечения хозяйства страны всеми видами энергии, иногда вводят весьма близкое к понятию Э. понятие «энергетическое хозяйство», под которым понимают комплекс взаимосвязанных подсистем, содержащих энергетические объекты и объединенных для обеспечения потребителей всеми видами энергии. В некотором смысле термин «энергетическое хозяйство» может считаться адекватным термину «топливно-энергетический комплекс».

В Э. должен существовать Энергетический баланс, который является статической характеристикой непрерывно развивающегося энергетического хозяйства, основные элементы и связи которого составляют Э.

Основная специфика свойств Э. проявляется в следующем:

1) совокупность больших систем энергетики существует как единое материальное целое, причем целостность их обусловлена внутренними связями и взаимозаменяемостью продукции, подсистем и отдельных элементов;

2) универсальность и большая хозяйственная значимость производимой Э. продукции, особенно электроэнергии и жидкого топлива, и следовательно, многочисленность внешних связей системы;

3) активное влияние Э. на развитие и размещение производительных сил (См. Производительные силы) как на территории отдельного района, так и страны в целом;

4) неразрывность во времени большинства процессов производства и потребления энергии, а следовательно, органичное включение потребителей энергии и топлива в структуру системы: особая важность управления режимами систем и оперативным топливоснабжением для обеспечения бесперебойной подачи энергии потребителю;

5) невозможность изолированного выбора производительности и параметров отдельных элементов и связей вне их предполагаемого использования в системе; отсюда особая важность перспективного проектирования больших систем энергетики как единого целого;

6) сложность структуры Э., обусловленная тем, что Э. формируются как единые системы страны и даже группы смежных стран.

Характерная особенность Э. заключается в том, что их физико-технические и экономические свойства тесно связаны между собой; например, усовершенствование энергетического оборудования в направлении повышения его кпд или улучшения его эксплуатационных характеристик приводит в конечном счете к снижению себестоимости вырабатываемой энергии.

Э. — система кибернетического типа, т. е. она имеет глубокие обратные связи; Э. — также эргатическая система (ее составным элементом является человек), т. к. процесс управления ее функционированием представляет собой совокупность определенных операций, выполняемых человеком и управляющей машиной.

Развитие энергетики (См. Энергетика) как глобальной системы проявляется прежде всего в плане социальном. Разрыв в культурном и экономическом уровне разных стран в значительной мере обусловлен разницей в обеспечении их энергией, энерговооруженностью труда. Так, например, на долю населения, проживающего в развивающихся странах, приходится не более 7% мирового потребления всех видов энергии. Такое неравномерное энергетическое, а следовательно, экономическое и культурное развитие отражает противоречия мировой капиталистической системы и стимулирует экономические и политические конфликты, наиболее ярко проявившиеся в энергетическом кризисе (См. Энергетический кризис) 70-х гг. 20 в.

Управление Э. сводится к целенаправленному оптимизируемому воздействию на большую систему энергетики с помощью методов и технических средств кибернетики. Управление Э. имеет целью достижение в данном промежутке времени таких показателей ее работы, которые наиболее близко подходили бы к принятым критериям эффективности. В процессе управления достигается состояние Э., при котором управляющие воздействия, осуществляемые целенаправленно в определенной зависимости от внешних условий, обеспечивают достижение поставленной цели. Управление Э. включает: оптимизацию решении, т. е. определение наилучшего плана системы; реализацию этих решений, т. е. осуществление этого плана в конкретных условиях. Первое часто называют оптимизацией развития, а второе — оптимизацией функционирования. Эффективность управления Э. в основном обеспечивается достижением оптимальных темпов и пропорций в развитии единого топливно-энергетического комплекса и входящих в него энергетических подсистем (рис.); применением новой техники, которая могла бы обеспечить Научно-технический прогресс в энергетике и своевременное развитие энергетической техники; наиболее рациональным (при сложившихся условиях) использованием всех материальных и трудовых ресурсов страны.

Работа Э. может быть охарактеризована степенью использования запасов энергетических ресурсов. Конечным результатом функционирования Э. является полезная энергия, т. е. та, которая после переработки, преобразования, транспортирования и хранения ресурсов поступает к потребителям и обеспечивает полезные энергетические процессы. Основными видами энергетических ресурсов являются топливные — уголь, нефть, природный газ, торф, сланцы, древесина и нетопливные — энергия воды (гидроэнергия), ядерная энергия, а также используемая частично энергия ветра, морских приливов и солнечной радиации; ресурсы подразделяются на возобновляемые (гидроэнергия, ветроэнергия, энергия приливов и солнечной радиации) и невозобновляемые (уголь, нефть, газ, сланцы).

Для соизмерения ресурсов и определения их экономичности пользуются понятием «условное топливо». Геологические (прогнозные) мировые запасы топлива (уголь, газ и т. д.) составляют 11 651 млрд. т, причем 54,5% их находятся в СССР. Мировые запасы топлива, доступные для извлечения, составляют 3112 млрд. т, из них 55% находятся в СССР. Гидроэнергоресурсы в пересчете на годовую выработку электроэнергии оцениваются в 7500 млрд. квт·ч (в 1,5 раза больше того количества электроэнергии, которое было выработано всеми электростанциями мира в 1970). Используемое в Э. топливо разделяется на энергетическое (для выработки электроэнергии и тепла на электростанциях, в районных и промышленных котельных) и технологическое (используемое в промышленных установках для выполнения рабочих процессов, а также в промышленных печах, и др.). Уровень использования энергоресурсов может быть оценен коэффициентом извлечения потенциальных ресурсов, который определяется как отношение используемого количества энергетических ресурсов к их потенциальным запасам. Применяется также коэффициент полезного использования в энергопотребляющих процессах по отраслям производства и по хозяйству страны в целом; этот коэффициент представляет собой произведение кпд отдельных процессов — от добычи энергоресурсов до их использования.

Все процессы, связанные с функционированием Э., прогнозированием и планированием ее работы, являются предметом изучения общей теории Э. (энергетики). Большие системы энергетики и их теория стали развиваться в основном во 2-й половине 20 в. Начало 60-х гг. характеризовалось качественно новым направлением развития советской энергетики, заключавшимся в концентрации энергетических мощностей, формированием объединённых электроэнергетических систем, созданием электроэнергетической системы «Мир», объединившей Единую электроэнергетическую систему Европейской части Советского Союза с Э. стран — членов СЭВ. При этом учитывается, что масштабы и темпы производства энергоресурсов в конечном итоге определяют уровень энерговооружённости труда во всех отраслях народного хозяйства, причём электроэнергетические системы потребляют до 80% всего топлива, добываемого в стране (из них 30% — на выработку электроэнергии, 50% — на выработку тепла); остальное топливо идёт на удовлетворение технологических нужд производства. Тепловая потребность СССР примерно на 30% обеспечивается теплоэлектроцентралями, оставшиеся 70% дефицита тепла — промышленными и коммунальными котельными, а также нагревателями и печами индивидуального пользования. При этом тепло распределяется следующим образом: промышленность и транспорт — 43%, жилищно-коммунальное хозяйство городов — 33%, с.-х. производство и бытовое потребление — 24%.

Большое значение при определении эффективности использования топлива имеют условия его доставки. В СССР себестоимость транспортировки топлива на 1 км составляет: уголь (по железной дороге) — 0,1—0,2 коп. за 1 т; мазут — 0,15—0,30 коп. за 1 т; газ (по газопроводам) — 0,15—0,70 коп. за 1000 м3 нефть (по нефтепроводам) — 0,05—0,15 коп. за 1 т. Сравнительная экономичность топлива определяет затраты по его добыче, перевозке, хранению и приготовлению к использованию.

В управлении Э. СССР заложены принципы и организационные формы, отвечающие единству хозяйственного и политического руководства, плановости ведения энергетического хозяйства, системному подходу к управлению Э., сочетанию отраслевого и территориального управления, иерархическому принципу при организации управления энергетикой, а также обязательный учёт влияния энергетики на окружающую среду. Последнее обстоятельство приобретает всё большее значение, оно требует увеличенных капиталовложений и повышенного внимания к проблеме загрязнения окружающей среды. Мероприятия, направленные на снижение неблагоприятного влияния работы электростанций на окружающую среду, предусматриваются как органическая часть любого энергетического сооружения ещё на стадии его проектирования, а не как некие дополнительные установки к уже построенному энергетическому комплексу. Это необходимо прежде всего в связи с ростом установленных мощностей энергетических объектов, превращающих ежегодно во всём мире не менее 6—7 млрд. т условного топлива в различные виды энергии. Такие масштабы «энергетического воздействия» человека на природу становятся соизмеримы с масштабами естественных геофизических и геологических явлений, меняющих климатический облик Земли. Количество энергии, вырабатываемой на Земле, пока ещё составляет сотые доли % от того количества энергии, которое Земля получает от Солнца, но её тепловой эффект уже достаточно заметно сказывается на климате, особенно тех «энергетически напряжённых» районов, где происходит т. н. тепловое загрязнение биосферы (См. Биосфера). Последнее обусловлено тем, что превращение энергии в энергоустановках происходит с весьма низким кпд (8—10% у подвижных и 25—30% у стационарных установок). В результате огромное количество тепла идёт на подогрев воды, почвы, воздуха. К существенно неприятным последствиям приводят ошибки, допущенные в проектировании водохранилищ ГЭС, ориентированных только на задачи гидроэнергетики (См. Гидроэнергетика). Большой вред биосфере приносят выбросы в атмосферу продуктов сгорания топлива (золы, окислов азота, двуокиси серы, сернистого ангидрида и др.). Все эти вредные экологические влияния могут быть значительно снижены (а в перспективе ликвидированы) при системном подходе к проектированию энергоустановок, когда Э. рассматривается как система, взаимодействующая с другими системами жизнедеятельности человека и биосферой. К экологическим проблемам могут быть также отнесены трудности развития энергетики, обусловленные ростом площадей и объёмов, требующихся под энергетические сооружения. Однако и здесь интенсивная работа над конструкцией инженерных сооружений и эксплуатационными характеристиками энергетического оборудования позволяет резко снизить объёмы и площади, занимаемые ими: если, например, в 1900 на 1 квт мощности электростанций требовался рабочий объём 50м 3, то в 50-х гг. 20 в. этот объём составлял уже около 6 м3, а к 1975 в связи с техническим усовершенствованием энергетического оборудования эта величина снизилась до десятых долей м3.

В СССР благодаря единой технической политике в области использования достижений научно-технической революции (См. Научно-техническая революция) при решении народно-хозяйственных задач развитие энергетики тесно увязано с задачами охраны и преобразования природы. Наряду с рациональным использованием природных ресурсов принимаются необходимые меры для того, чтобы научно-технический прогресс сочетался с бережным отношением к природным богатствам страны, не служил источником опасного загрязнения воздуха и воды, истощения земли. Развитие энергетики, так же как и других отраслей промышленности, требует изменения характера общественного производства, правильная организация которого должна предусматривать технологические процессы полной переработки сырья в полезные продукты, без отходов или почти без отходов.

Лит.: Электрические системы. Кибернетика электрических систем, М., 1974; Мелентьев Л. А., Оптимизация развития и управления больших систем энергетики, М., 1975; Чернухин А. А., Флаксерман К. Н., Экономика энергетики СССР, 2 изд., М., 1975; Веников В. А., Энергетика и биосфера, в сборнике: Методологические аспекты исследования биосферы, М., 1975.

В. А. Веников.

Иерархическая структура энергетической системы страны.