Общая характеристика энергопотребления в отраслях промышленности.

Энергосбережение в теплотехнике, теплоэнергетике и теплотехнологиях необходимо сориентировать по нескольким основным направлениям: в системах электроснабжения, в вопросах теплообмена, в теплогенерирующих установках, котельных и тепловых сетях, в теплотехнологиях, в зданиях и сооружениях, а также за счет использования вторичных ресурсов и альтернативных источников энергии.

1. Энергосбережение в системах электроснабжения включает системы освещения, электротехники и электроники, электрические сети, электрические машины и аппараты, системы электрохимзащиты оборудования и трубопроводов промышленных предприятий и объектов жилищно-коммунального хозяйства.

2. Энергосбережение в вопросах теплообмена базируется на законах теплопроводности, конвективного, лучистого и сложного теплообмена.

Теплотехника – отрасль знаний, изучающая теорию и технические средства превращения энергии природных источников в тепловую, механическую и электрическую энергии, а также теорию и средства использования теплоты для отопления, вентиляции, горячего водоснабжения, технологических нужд промышленности и ЖКХ. 

Энергосбережение затрагивает вопросы интенсификации теплопередачи в теплообменных аппаратах, стационарной и нестационарной теплопроводности при различных граничных условиях, при внутреннем тепловыделении и наличии фильтрации, теплообмена излучением между телами и в газах, при кипении и конденсации [13]. 

Изучение законов преобразования теплоты в другие виды энергии и теплообмена позволяют постигнуть основы работы различного рода тепловых, теплогенерирующих и теплотехнологических установок, тепловых двигателей и нагнетателей. 

3. Энергосбережение в теплогенерирующих установках затрагивает вопросы расчета паровых и водогрейных котельных агрегатов, электродных котлов, гелиоустановок, геотермальных установок, котлов-утилизаторов, теплонасосных установок. Разработка методик расчета теплогенерирующих установок (ТГУ), горения, теплового баланса, топочных камер, конвективных поверхностей нагрева, расхода топлива, позволяют выбрать наиболее экономичный и энергосберегающий вариант работы теплогенератора.

Классификация и устройство теплогенерирующих установок, обзор паровых, водогрейных, электродных котлов, гелиоустановок, вопросы эксплуатации котельных агрегатов, топочных устройств, оборудования водоподготовки, арматуры, контрольно-измерительных приборов и системы автоматики подробно описаны в монографиях [10, 11]. 

4. Энергосбережение в производственных и отопительных котельных основывается на проектировании и расчете рациональных тепловых схем котельных для закрытых и открытых систем теплоснабжения, экономии энергоресурсов при работе паровых и водогрейных котельных установок, экономии и сбережения воды в котельной, использовании современных приборов регулирования, контроля, управления и экономии энергоресурсов при эксплуатации котельных. 

Разработка методик и основных положений работы тепловых схем производственно-отопительных котельных, с паровыми и водогрейными котлами, расчета и подбора теплоэнергетического оборудования (теплообменников, насосов, тягодутьевых машин и др.), определения тепловых нагрузок и расхода топлива, позволяют выбрать наиболее экономичный и энергосберегающий вариант их работы. В монографии [12] подробно описаны тепловые схемы отопительных и производственно-отопительных котельных с паровыми и водогрейными котлами, приведены расчеты этих схем, что позволяет выбрать наиболее экономичный и энергосберегающий вариант их работы.

5. Энергосбережение в тепловых сетях касается вопросов повышения качества воды для систем теплоснабжения, использования современных теплообменников на тепловых пунктах, установки приборов расхода воды и учета теплоты, применения современных технологий тепловой изоляции, замены элеваторных узлов на смесительные установки с датчиками температуры и расхода. 

В настоящее время следует экономически обосновать и договориться между производителями и потребителями тепловой энергии, администрациями и предприятиями о том, при какой тепловой мощности потребителей экономичнее применять централизованную или децентрализованную систему теплоснабжения. 

6. Энергосбережение в теплотехнологиях охватывает разработку

критериев энергетической оптимизации при производстве, передаче или сбережения тепловой энергии, баланса теплоты, интенсификации процессов теплопередачи, современных способов сжигания топлива, использования паротурбинных, газотурбинных, холодильных установок, тепловых насосов и тепловых трубок, эффективной тепловой изоляции, разработку методик расчета технико-экономических показателей. Реализация новых и коренная модернизация действующих теплотехнологических систем возможны на базе современных технологических, энергетических, научно-методических и организационных основ.

7. Энергосбережение в зданиях и сооружениях строится на сбережении теплоты в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Энергосбережение в зданиях и сооружениях включает в себя различные устройства: вентилируемых наружных стен, вентилируемых окон, трехслойного или теплоотражающего (в инфракрасном излучении) остекления, дополнительного утепления наружных ограждений, теплоизоляции стен за отопительным прибором, застекленных лоджий. Кроме того, для энергосбережения в зданиях и сооружениях возможно применение воздушного отопления от гелиоустановок, а также с использованием теплонасосных установок и энергии низкого потенциала (конденсата, воды, воздуха). 

В промышленных зданиях и сооружениях в дополнении к этому возможно применение газовых инфракрасных излучателей, периодического режима отопления, локального обогрева рабочих площадок теплотой рециркуляционного воздуха из верхней зоны помещения, прямое испарительное охлаждение воздуха, вращающихся регенеративных воздуховоздушных утилизаторов теплоты.

8. Энергосбережение за счет использования альтернативных (нетрадиционных и возобновляемых) источников энергии опирается на применении солнечных коллекторов и электростанций, тепловых насосов, гелиоустановок, фотоэлектрических и ветроэнергетических установок.

9. Энергосбережение за счет использования вторичных энергоресурсов (ВЭР) требует использования горючих, тепловых и ВЭР избыточного давления. Горючие – отходы технологических процессов термохимической переработки углеродистого сырья, горючие городские и сельскохозяйственные отходы. Тепловые – теплоносители, способные при определенных условиях выделять определенное количество теплоты. ВЭР избыточного давления – газы и жидкости, покидающие технологические аппараты под избыточным давлением и способные передать другому теплоносителю часть накопленной потенциальной энергии перед сбросом в окружающую среду. 

Энергосбережение за счет использования ВЭР включает утилизацию теплоты уходящих топочных газов и воздуха, установки контактных теплообменников, использование холодильных установок в качестве нагревателей воды, использования теплоты сепараторов пара и пара вторичного вскипания конденсата, рециркуляцию сушильного агента. 

Для решения задач энергосбережения в теплотехнике, теплоэнергетике и теплотехнологиях нужны высококвалифицированные специалисты, хорошо освоившие принципы проектирования и эксплуатации энергосберегающих технологий и оборудования.

В настоящее время, в век компьютерных технологий и программного обеспечения, в каждой организации и предприятии необходима программа энергосбережения и система комплексной диспетчеризации инженерного оборудования. 

Система комплексной диспетчеризации инженерного оборудования включает:

• диспетчерский пункт с компьютерами и программным обеспечением, обеспечивающим доступ к технологическим параметрам и единое информационное пространство;

• энергоэффективные тепловые узлы с датчиками и автоматическими регуляторами температуры, расхода теплоносителя, учета тепловой энергии, учет потребления водопроводной воды;

• учет потребления электроэнергии всех потребителей; контроль и управление освещением;

• индикация загазованности, затопления и пожара в помещениях.

Система комплексной диспетчеризации инженерного оборудования должна иметь в распоряжении лабораторию энергоаудита с различными метрологическими характеристиками и функциями.

 Энергосбережение в котельных и тепловых сетях

     Снижение потерь теплоты с уходящими газами

Основными потерями в котельных установках являются потери с теплотой отходящих газов. Потери теплоты с уходящими газами (q₂) в котлах без хвостовых поверхностей, работающих с a¹a_опт, могут достигать 25 %.

Мероприятия, способствующие уменьшению потерь q ₂ , следующие.

    1. Установка водяного питательного поверхностного экономайзера (экономайзера и воздухоподогревателя) – экономия газа 4-7 %, теплофикационного – 6-9 %, контактного – 10-15 % в зависимости от температуры уходящих газов. Запишем выражение для потерь теплоты с уходящими газами в упрощенном виде (без учета теплоты вносимой холодным воздухом)

                                                        

и рассчитаем изменение потерь при увеличении (уменьшении) температуры уходящих газов на ∆ t_ух

 

                                   

                                                               

Для природного газа V⁰ ≈ 9,7 м³/м³;  м³/м³;  МДж/м³. При средней теплоемкости продуктов сгорания с_г = 1,5 кДж/м³ и коэффициенте избытка воздуха a = 1,2 отношение . Таким образом увеличение (уменьшение) температуры уходящих газов на 20 ºС приводит к изменению КПД на 1 %. При больших избытках воздуха влияние изменения температуры уходящих газов более существенно.

2. Работа котлоагрегата с оптимальным коэффициентом избытка воздуха a = a_опт. Увеличение коэффициента избытка воздуха в топке выше оптимального приводит к снижению температуры в топке и уменьшению температурного напора, кроме того, увеличивается расход электроэнергии на привод вентилятора и дымососа. Из выражения (172) следует, что при изменении коэффициента избытка воздуха на ∆a потери теплоты с уходящими газами меняются на

 

                                           

                                                               

При температуре уходящих газов в диапазоне 120-170 ºС увеличение ∆a на 0,1 приводит к увеличению q₂ на 0,5-0,7 %.

    3. Увеличение плотности газоходов приводит к уменьшению присосов воздуха по тракту котла. Увеличение присосов воздуха по газовому тракту котел – дымосос на 10 % приводит к перерасходу газа на 0,5 %, повышению расхода электроэнергии на привод дымососа на 4-5 %.

Рассмотрим эффективность у становки воздухоподогревателей.

Котлы марки КВГМ, как правило, не укомплектованы воздухоподогревателями, что обусловливает в некоторых случаях повышенное значение температуры уходящих газов. Расчетное значение температуры уходящих газов у котла КВГМ-180 составляет 175 °С. Простой срок окупаемости проекта при установке за котлом воздухоподогревателя рассчитывается следующим образом. При известных значениях расхода топлива В₁, температуры уходящих газов t_ух, коэффициенте избытка воздуха a_ух и КПД котлоагрегата h рассчитывают значения потерь теплоты с уходящими газами

                                                                                        

При установке воздухоподогревателя за котлом температура газов снизится до значения . При этом уменьшатся потери теплоты с уходящими газами до значения

                                                                                        

 и возрастет КПД котельного агрегата

                                                                                            

Это приводит к снижению расхода топлива:

                                                                                                       

что позволяет рассчитать годовую экономию топлива как

                                       ,                                        

где h – число часов работы котлоагрегата в течении года;

Ц_т – стоимость природного газа.

Количество теплоты, отданное продуктами сгорания, определятся выражением

                         .                                   

 

Площадь поверхности теплообмена определится из выражения

                                                                                                          

где температурный напор рассчитывается как

 

                                                                                    

а коэффициент теплопередачи - по критериальным формулам при предварительно заданной скорости движения газа и воздуха в диапазоне 7 -15 м/с. После определения площади поверхности теплообмена уточняются конструктивные характеристики воздухоподогревателя, а именно: число труб, длина, шаги между трубами - и уточняется значение коэффициента теплопередачи. Обычно воздухоподогреватель изготавливают из труб 40×1,5, шаги между трубами при шахматном их расположении составляют 40-45 мм и 45-60 мм. Для котлов малой мощности используют трубы меньшего диаметра. После уточнения конструктивных характеристик: общего числа труб n, поперечного и продольных шагов, свободного сечения для прохода газа и воздуха - уточняют значения скоростей газа и воздуха. Затем определяют уточненное значение площади поверхности воздухоподогревателя F и его длину .

При известной массе металла  и стоимости одного килограмма Ц_м ориентировочные затраты на изготовление и монтаж воздухоподогревателя составят З_вп≈2МЦ_м.

Потери теплоты с химической неполнотой сгорания

Они должны быть сведены к нулю за счет правильного выбора горелок, качества изготовления и монтажа, проведения наладки работы горелок и топочных туннелей.

    Потери теплоты в окружающую среду

Для снижения расхода газа из-за потерь теплоты в окружающую среду следует тщательно выполнять и поддерживать в исправном состоянии ограждения котла, изоляции оборудования, трубопроводов, задвижек, фланцев и т.д.; при этом температура на поверхности обмуровки не должна превышать 55 °С при температуре окружающего воздуха 25 °С.

    Работа котельной установки в режиме пониженного давления

Работа котельной установки в режиме пониженного давления характеризуется следующим:

    а) уменьшение давления пара в барабане котла приводит к снижению степени сухости пара, особенно существенно при р_к £ 0,5р_н. Кроме того, увеличение влажности пара может приводить к гидравлическим ударам в сетях и паропотребляющем оборудовании, увеличению времени технологических процессов, а в некоторых процессах и к браку продукции;

б) снижение давления пара и уменьшение температуры насыщения увеличивает температурный напор и приводит к более глубокому охлаждению продуктов сгорания, что несколько повышает КПД котла.

Температура питательной воды t_в

Она оказывает существенное влияние на экономичность работы котлоагрегатов. Для котлов с р_н = 14 кгс/см² увеличение температуры воды на входе в барабан котла t_в.б на каждые 10 °С дает экономию газа на 1,7-2,2 % при условии сохранения постоянного значения КПД за счет дополнительных мероприятий. Расход природного газа на выработку пара может быть рассчитан из уравнения прямого баланса котлоагрегата

                                                                                            

 

где D – паропроизводительность котельной; i ¢¢ и i_пв – энтальпии насыщенного пара и питательной воды.

При температуре питательной воды 105-110 ºС, КПД, равном 90 %, и энтальпии насыщенного пара при давлении 14 кгс/см², равной 2788 кДж/кг, расход природного газа на выработку одной тонны пара составит  м³/т. Повышение температуры питательной воды (при условии сохранения постоянных значений давления пара, производительности и КПД) можно оценить из уравнения прямого баланса котла

 

                                                                                                    

 

Увеличение температуры питательной воды на 10 ºС приводит к уменьшению удельного расхода газа на

 м³/т

или на (1,5/70)100 % ≈ 2 %.

Но увеличение температуры питательной воды приводит к увеличению температуры уходящих газов, особенно когда экономайзер является последней по ходу газов поверхностью, что приводит к снижению КПД. Потому положительный эффект от повышения температуры питательной воды может быть достигнут только при одновременном проведении мероприятий по снижению температуры уходящих газов. Так, например увеличение температуры питательной воды и установка теплофикационного экономайзера за паровым котлом дает суммарный положительный эффект.  

Возврат конденсата в котельную

В практике эксплуатации паровых систем теплоснабжения недостаточное внимание уделяется сбору и возврату конденсата в котельную, а это приводит к значительному перерасходу топлива. Перерасход газа (DВ, м³/ч) в котельной только за счет замещения физической теплоты невозвращенного от потребителя конденсата может быть рассчитан по формуле

                                                                                      

 

где D – паропроизводительность котельной, т/ч;

  j - доля возврата конденсата, доли единицы;

D(1- j) – количество конденсата, невозвращенное в котельную, в том числе и от расхода пара на собственные нужды, т/ч; 

i_к и i_с.в – действительная энтальпия конденсата в котельной и энтальпия сырой (исходной) воды, кДж/кг.

При полном невозврате конденсата φ = 0 удельный перерасход топлива составит

                                                

 

что составляет 10/70·100 ≈ 15 % от расхода топлива на выработку пара.

 Использование тепловой энергии непрерывной продувки котлов

При избыточном давлении пара =1,6-1,3 МПа, наиболее распространенном в отопительно-производственных котельных, каждый процент продувки, если тепловая энергия ее не используется, увеличивает расход топлива примерно на

 

                                                

 

что составляет 0,24/70·100 = 0,34 % от расхода топлива на выработку пара.

При максимальной допустимой расчетной продувке 10 %, установленной нормами для котлов с давлением до 1,4 МПа, и без использования тепловой энергии продувочной воды потери топлива могут превысить 3,5 % общего расхода топлива.

1 – барабан котла; 2 – сепаратор непрерывной продувки;
3 – теплообменник-охладитель сепарированной воды; 4 – деаэратор

 

Рисунок 3.2 - Схема установки сепаратора и охладителя

непрерывной продувки

 

Для использования тепловой энергии непрерывной продувки устанавливают сепаратор и теплообменник (рисунок 3.2). Экономия топлива на каждую тонну выработанного пара при использовании тепловой энергии продувочной воды с установкой сепаратора и теплообменника составит:

                                                                    

где Р – процент продувки;

 - удельная энтальпия сепарированного пара, кДж/кг;

 - удельная энтальпия сепарированной воды, кДж/кг;

 - доля сепарированного пара, которая рассчитывается по выражению

                                                                                                        

 

где i ¢ - энтальпия продувочной воды. При давлении в котле 1,4 МПа и давлении в сепараторе, близком к атмосферному, доля сепарированного пара составляет ~ 0,17-0,2.

Степень использования тепла продувочной воды может быть охарактеризована коэффициентом использования f. При установке сепаратора и теплообменника f определяется по формуле

 

                                                                        

 

    Если установлен только сепаратор, при расчете по этой формуле принимают  т.е. второй член в числителе равен нулю.

    Режимы работы котельного оборудования

Большие, легкодоступные, практически не требующие затрат резервы экономии газа и электроэнергии заключены в оптимальном распределении нагрузок между котлами, работающими на общего потребителя.

С уменьшением нагрузки ниже номинальной уменьшается температура уходящих газов, а значит, падают потери теплоты с уходящими газами. При малых нагрузках уменьшаются скорости истечения газа и воздуха, ухудшается их смешение и могут возникнуть потери с химической неполнотой сгорания. Абсолютные потери теплоты через обмуровку остаются практически неизменными, а относительные (отнесенные на единицу расхода топлива) естественно возрастают. Это приводит к тому, что при пониженных нагрузках имеется максимальное значение КПД. Значение нагрузки котла, при которой КПД достигает максимума, зависит от множества факторов, основными из которых являются вид топлива, тип котла и его номинальная мощность.

На основании режимных карт для каждого котлоагрегата может быть построена расходная характеристика, представляющая собой графическую зависимость расхода топлива от количества выработанного пара или тепловой энергии. Характеристика должна быть определена экспериментально при работе котлоагрегата при исправном состоянии оборудования.

 

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться: