CC BY
74
УДК 621.9.06
АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА
А.А. Брыксина, Н.Е. Проскуряков
Проведен анализ технологической цепочки производства. Рассмотрены вопросы повышения энергоэффективности отдельных цехов и предприятия в целом. Отмечены основные недостатки и предложены пути решения.
Ключевые слова: энергоэффективность, энергопотребление, производство, автоматизация, управление.
Автоматизация - одна из ведущих отраслей науки и техники, развивается особенно динамично, проникая во все сферы человеческой деятельности, качественно изменяя характер труда рабочих. В цехах с автоматизированным производством главной фигурой становится специалист новой формации - оператор, программист, рабочие других, ранее не существовавших профессий [ 1 ].
Например, качественные и технико-экономические показатели производства серной кислоты зависят, прежде всего, от точности соблюдения технологического режима. Нарушения его приводят к снижению производительности и ухудшению качества продукции. Поэтому введение автоматических методов контроля и регулирования процесса, т.е. автоматизация производства, имеет большое значение в химической, в частности, в сернокислотной, промышленности, так как в ходе химических процессов возможно выделение в атмосферу производственных помещений вредных продуктов ( газы, пары, пыль и др.). В таких помещениях обслуживающий персонал должен отсутствовать.
При проведении энергоаудита, как правило, необходимо выполнять те или иные измерения для подтверждения имеющейся информации о параметрах энергоустановок, для получения отсутствующих данных об их характеристиках, для составления энергетических балансов.
Измерительное оборудование, использующееся при выполнении энергоаудита, должно отвечать следующим общим основным требованиям, накладываемым условиями и спецификой проводимой работы:
- компактность, переносное исполнение;
- универсальность, т.е. возможность решения как можно большего количества задач с помощью одного прибора;
- надежность в работе;
- удобство монтажа и простота при выполнении измерений;
- защищенность от внешних воздействий, устойчивость к повреждениям;
- автономное питание в течение значительного времени;
- минимальные требования к обслуживанию в процессе эксплуатации.
Производство серной кислоты является непрерывным: все основные аппараты технологической схемы соединены последовательно. При перебоях в работе одного аппарата нарушается режим работы последующих аппаратов. Так, при уменьшении концентрации Б02 в газе, поступающем на контактирование, понижается температура в контакторных аппаратах и уменьшается степень превращения. Чтобы восстановить нормальный режим и повысить степень окисления до требуемой нормы, газовые потоки приходится регулировать с помощью соответствующих задвижек. При этом в абсорбционном отделении в связи с уменьшением количества поглощаемого Б03 необходимо изменять количество кислоты, передаваемой из сушильного отделения в сборник при моногидратном абсорбере, и количество моногидрата, направляемое в сборник олеума [ 2 ].
Следует подчеркнуть, что при строгом соблюдении технологического режима длительное время не требуется дополнительного регулирования. Известны случаи, когда в течение многих суток отдельные узлы серно-кислотных систем непрерывно работали без регулирования.
Действительно, при постоянстве объема и концентрации компонентов газовой смеси, поступающей в контактное отделение, температурный режим контакторных аппаратов не изменяется. Следовательно, не меняется и процесс контактирования и сохраняются постоянные условия работы абсорбционного отделения. Поэтому количество кислоты, передаваемой из отделения в очистное отделение и возвращаемой обратно, а также кислоты, циркулирующей между абсорберами, остается постоянным, концентрация же кислоты не изменяется и сохраняется высокая степень абсорбции.
При нормальной работе серно-кислотного производства регулирование процесса производится редко, и обслуживающий персонал только следит за технологическим режимом и регистрирует его параметры. Поэтому делают неправильный вывод, что автоматизация управления производством серной кислоты не дает экономического эффекта, поскольку при этом трудовые затраты снижаются незначительно. Однако экономия от внедрения автоматизации в производство серной кислоты определяется главным образом улучшением условий труда, уменьшением расхода сырья, электроэнергии, воды и других показателей, повышением интенсивности процесса, поскольку автоматизированный процесс можно вести при более высоких (оптимальных) показателях. Поддерживать такие показатели при ручном регулировании практически невозможно, так как даже незначительные отклонения от оптимального режима могут приводить к нарушению автотермичности процесса или большим производственным потерям.
Задача контроля производства заключается в своевременном обнаружении отклонений от установленного режима, что позволяет быстро устранить их и предотвратить нарушения режима на других стадиях процесса.
Методы контроля можно условно подразделить на ручные и автоматические. К ручным методам контроля обычно относят проведение химических анализов. Вначале отбирают пробу сырья, полупродукта или продукта, затем проводится химическая обработка пробы и делаются соответствующие вычисления. Поэтому во многих случаях результаты химического анализа получают через несколько часов с момента отбора пробы. В то же время для всех непрерывных процессов, какими являются получение серной кислоты и ее концентрирование, своевременное обнаружение отклонений параметров технологического режима от установленных оптимальных норм имеет решающее значение [ з ].
При автоматических методах контроля измерения проводятся в основном непрерывно. Приборы автоматического контроля не только указывают, но и регистрируют показания, а также сигнализируют об отклонении измеряемого параметра от заданного значения. При этом регистрация показаний может производиться на значительном расстоянии от места замера дистанционно. Это позволяет при установке приборов возле рабочих мест сосредоточить регистрацию всех основных показателей в одной точке в пункте управления. Таким образом, становится возможным одновременный контроль работы обслуживающим персоналом на каждом участке цеха или отделения и начальником смены всего цеха или отделения непосредственно из пункта управления. Поэтому автоматический контроль производства серной кислоты применяется все более широко и вытесняет другие методы контроля. При этом используются косвенные методы измерений. Например, концентрация кислоты, вытекающая из барботажного концентратора, зависит от ее температуры, методы измерения которой хорошо разработаны, в связи с чем предпочитают автоматически измерять температуру, а не концентрацию кислоты. Однако для многих показателей пока отсутствуют надежные автоматические методы измерения, поэтому ручные, в частности, химические, методы контроля еще распространены в серно-кислотной промышленности.
Автоматизация серно-кислотных заводов включает централизацию автоматического контроля производства; автоматическое регулирование основных параметров технологического процесса; дистанционное управление отдельными регулирующими органами и агрегатами; сигнализацию предельных значений наиболее важных параметров технологического процесса; блокировку отдельных механизмов транспортирования колчедана и огарка в печном отделении.
На данный момент применяемая технология в производстве серной кислоты имеет ряд недостатков. В связи с агрессивной окружающей сре-
дой происходит быстрый износ серопровода при перекачке из цистерн в емкости хранилища серы.
Контактный аппарат представляет собой аппарат, предназначенный для окисления сернистого газа. В его конструкции применяются ванадиевые катализаторы, срок эксплуатации которых не более полутора лет.
Запорная и регулировочная аппаратура, а также металлоконструкции быстро выходят из строя в связи с тем, что они работают в агрессивной среде.
В настоящее время очистка газов абсорбции не доведена до 100 %, а составляет 89,7 %, в связи с этим происходят выбросы газов в атмосферу. При абсорбции, а также при охлаждении продуктов химического процесса тепло не используется должным образом, т. к. горячая вода намеренно охлаждается.
При замкнутой системе технологического процесса вырабатывается попутно пар, который в данный момент частично используется для производства собственной электроэнергии, но часть пара по-прежнему выбрасывается в атмосферу. На предприятии плохая изоляция труб, по которым проходит пар, из-за чего часть пара также теряется.
Производственные цеха и остальные помещения плохо изолированы. Раньше на заводе использовалось больше помещений, а сейчас многие не используются и отапливаются «впустую».
Датчики, применяемые в системе управления и контроля технологическим процессом, недостаточно совершенны в части выполнения своих функций. Также система недостаточно автоматизирована, что мешает получать данные и следить за процессом в режиме «реального времени».
С учетом перечисленных недостатков, необходимы разработать варианты усовершенствования технологических режимов производства серной кислоты для улучшения экологической ситуации, как на самом предприятии, так и в целом по области.
В связи с тем, что происходит выброс сернистых газов в атмосферу, необходимо поставить дополнительный брызгоуловитель и фильтр с более плотным нетканым материалом для того, чтобы очистить серную кислоту и сернистый газ от примесей, тем самым добиться 100 % отсутствия выброса газов в атмосферу.
Так как такая система должна иметь высокую надежность, необходимо заменить существующие датчики на их аналоги, но с более высокими техническими показателями и показателями надежности.
Для того чтобы пар не выбрасывался в атмосферу, целесообразно построить дополнительный турбоагрегат, а также заменить прямое использование пара в отоплении и подогреве, что позволит обеспечить 100 %-ный объем потребления электроэнергии предприятием, а, следовательно, приведет к снижению себестоимости продукции.
На схеме, представленной на рисунке, показана модернизированная
технологическая схема производства серной кислоты.
Серная печь, установленная на заводе, вырабатывает 70 т/ч пара. Часть его идет на паровую турбину, а остальное - на отопление, подогрев и на стравливание в атмосферу. Причины такого использования прежде всего связаны с колебанием спроса продукции на рынке, а также с отсутствием модернизации производства. Ранее данный завод занимался не только серно-кислотным производством, поэтому теперь часть помещений пустует и является «пожирателем энергии». В такой схеме необходимо более рациональное использование пара. Установленная паровая турбина Т-6-2-УЗ имеет мощность 6 МВт и поглощает 35 т/ч, следовательно, оставшийся пар приходится стравливать в атмосферу. Для решения этой проблемы предлагается установка дополнительной турбины 12 мощностью 4...6 МВт.
Рис. 1. Модернизированная схема производства серной кислоты из серы: 1- серная печь; 2- котел; 3- контактный аппарат; 4- теплообменник; 5- сушильная башня; 6, 7- моногидратные абсорберы; 8- холодильники; 9- воздуходувка; 10 - экономайзер; 11 и 12 - турбины; 13 - электрогенератор
При сжигании серы отходящий газ охлаждается перед процессом абсорбции. Для этого его пропускают через водяной теплообменник. Вода, нагреваемая при таком процессе, далее не используется и намеренно охлаждается для нового цикла. Для повышения энергоэффективности данного процесса целесообразнее использовать горячую воду после теплообменника для отопления и подогрева серы. Таким образом, пар, который ранее использовался для этих целей, можно направить на дополнительную турбину, что повысит процент вырабатываемой электроэнергии на заводе. Благодаря этому завод не только сможет полностью обеспечить себя элек-
троэнергией, но и продавать ее в сеть. Также для использования энергии технологического процесса можно дополнительно установить тепловые насосы в местах протекания воды с малым потенциалом, например в обратном цикле воды после отопления.
Различные помещения тоже требуют модернизации для повышения энергоэффективности в следующих случаях:
- прекращение отопления неиспользуемых помещений;
- замена существующих окон на современные стеклопакеты, что, по мнению специалистов, повышает температуру в помещении на 4.. .5 °С;
- внедрение усовершенствованной системы вентиляции, которая подает ровно столько воздуха, сколько требуется для создания комфортной атмосферы в каждом помещении. Для этого в помещении ставится датчик СО2, который управляет клапаном на приточном воздуховоде. Если уровень СО2 превышает норму, то клапан открывается, если ниже нормы, то подача свежего воздуха уменьшается. Подобная система требует сложной автоматики (вентиляторы запитываются через инверторные двигатели, которые позволяют плавно менять частоту вращения вентилятора по сигналам от датчиков). Инверторный привод позволяет значительно экономить электроэнергию;
- замена существующих ламп освещения на энергосберегающие;
- установка отражающих поверхностей на плафонах светильников;
- принудительное выключение электроприборов из сети, если они не используются (вместо перевода в режим ожидания).
Таким образом, исправление отмеченных недостатков и модернизация производства приведут к более рациональному использованию энергоресурсов на предприятии.
Список литературы
1. Murphy W.R., Mckay G. Energy management. Cambridge: Butter-worth-Heinemann Ltd, 1982. 384 p.
2. Всеобщее управление качеством: учебник для вузов [Текст] / О.П. Глудкин [и др.]; под общ. ред. О.П. Глудкина. М.: Инфо-Да, 2008. 530 с.
3. Кузовкин В.А. Потенциал энергосбережения. М.: Экономист, 2000. 178 с.
Брыксина Анастасия Анатольевна, магистр, lionesss2@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
Проскуряков Николай Евгеньевич, д-р. техн. наук, проф., tppzi@,tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
REVERSE ENGINEERING AND DEVELOP METHODS TO INCREASE ENERGY EFFICIENCY OF PRODUCTION
A.А. Bryksina, N.E. Proskuryakov
Extensive analysis of the production chain was conducted. The issues of increasing the efficiency of individual departments and the enterprise as a whole are considered. The basic disadvantages and solutions were designed.
Key words: energy efficiency, energy use, production, automation, control.
Proskuryakov Nicholas Evgenyevich, doctor of technical sciences, professor, tppziatsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Bryksina Anastasia Anatolevna., Masters Degree, lionesss2ayandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
