CC BY
12
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИ
УДК: 676.2.7
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОТЫ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
В.М. БОРОВКОВ *, В.А. ГАЛКОВСКИЙ **, И.А. КАБАНОВА **
* Санкт-Петербургский государственный политехнический университет ** Смоленский филиал Московского энергетического института (технического университета)
Проведен анализ тепловых и технологических систем предприятий различных отраслей промышленности, сделаны выводы о достаточно высоком энергосберегающем потенциале этих систем, предложены варианты утилизации внутренних энергетических ресурсов, позволяющих сократить потребление первичных видов энергии.
Введение
Возможность максимального энергоиспользования в теплотехнологических системах промышленного производства имеет место в силу несовершенства проектных разработок и методов эксплуатации оборудования. Одним из путей создания энергосберегающих теплотехнологических систем является объединение нескольких теплотехнологических процессов в последовательные или последовательно-параллельные звенья, когда продукты, полупродукты или отходы одного производства (технологического процесса) являются сырьем для выпуска продукции другого [1]. В распоряжении руководителей производства должен находиться инструмент оперативного планирования и управления предприятием, позволяющий наряду с текущей фактической информацией и оценкой реальных значений критериальных параметров получать, для сопоставления, характеристику работы теплотехнологической системы промышленного предприятия (ТТС ПП) при возможном проведении различных энергосберегающих мероприятий.
СМОЛЕНСКОЕ ОАО «ГНЕЗДОВО» (предприятие строительной индустрии)
Смоленское ОАО «Гнездово» производит несколько видов продукции: фаянсовые изделия (раковины, унитазы), керамическую плитку, товары народного потребления (изделия из фаянса) и силикатный кирпич. Основные виды потребляемых энергетических ресурсов составляют: природный газ для обжиговых печей фаянсового, керамического цеха и цеха товаров народного потребления, производственный пар для технологических нужд и сушильных установок, электрическая энергия для привода силового оборудования (тягодутьевые вентиляторы, дымососы, насосы, оборудование котельной и т.д.) и освещения.
Исходная схема предприятия показана на рис. 1 и включает четыре цеха, которые энергетически связаны только по отопительной нагрузке и технологическому пару. Теплоснабжение корпусов и обеспечение их паром осуществляется от производственной котельной, расположенной на территории
© В.М. Боровков, В.А. Галковский, И.А. Кабанова Проблемы энергетики, 2008, № 5-6
завода. Технологический пар используется для изготовления силикатного кирпича и для сушильных установок. Данные по расходу и параметрам пара представлены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры и расход пара по цехам ОАО «Гнездово»
Наименование цеха Давление пара, МПа Расход пара, кг/с
Силикатный цех 0,10 0,570
Цех товаров народного потребления 0,15 0,093
Цех фаянсовых изделий 0,15 0,210
Цех керамической плитки — —
Рис. 1. Взаимосвязь цехов Смоленского ОАО «Гнездово»: I - цех фаянсовых изделий, II - цех товаров народного потребления, III - цех керамической плитки, IV - цех по производству силикатного кирпича, V - система очистки конденсата, VI - производственная котельная; 1 -пар в сушильные установки; 2 - пар в автоклавы; 3 - конденсат после сушильных установок; 4 - конденсат после автоклав; 5 - конденсат в котельную; 6 - прямая сетевая вода (в систему отопления); 7 - обратная сетевая вода (в котельную); 8 - уходящие газы в атмосферу
Для расчета и анализа схемы каждого цеха ОАО «Гнездово» в отдельности была проведена декомпозиция системы предприятия на энергетически не взаимодействующие подсистемы. Этот подход возможен, если в подсистемы включить такое число элементов, при котором рассогласование обобщенных флуктуаций энергии минимальное. При этом обмен энергией элементов, обозначающих границы выделенных подсистем, пренебрежимо мал по сравнению с энергией собственно подсистемы [1].
Для выделения энергетически не взаимодействующих подсистем необходимо следующее:
1. Построить диаграмму средних (эквивалентных) энергетических уровней по данным расчета АГэ|- в зависимости от числа преобразований, где АГэ|- -
эквивалентная температурная флуктуация г-го потока.
2. Определить число М подсистем по виду диаграммы: оно соответствует числу наиболее существенных пиков на диаграмме.
3. Определить число элементов, входящих в состав подсистем (определение границ подсистем) в соответствии с условием
J I
Е nmj = Е nilM’
J=1 i=1
(1)
где нщ - весовой коэффициент (вероятность эквивалентных температурных
флуктуаций)у-го потока т-й подсистемы; 1 - число преобразователей (элементов) в т-й подсистеме; I - число преобразователей (элементов) в системе; у - номер потока в т-й подсистеме; г - номер потока в системе; т - число подсистем.
4. Проверить корректность декомпозиции по рассогласованию обобщенных флуктуаций энергий подсистем.
Расчет обобщенных флуктуаций осуществляется на основании зависимости:
Um =
Е CV,m,j
AT
2 J,
>,m,j / ’
m = 1,2,..., M,
(2)
где Um - обобщенная флуктуация энергии m-й подсистемы; Cy>nt)j - средняя
2
мольная теплоемкость (V = const) j-го потока элемента m-й подсистемы; AT -
3,m,J
средняя флуктуация эквивалентной температуры j'-го преобразования m-й подсистемы.
На рис. 2 представлена диаграмма средних (эквивалентных) энергетических уровней. Диаграмма имеет три явно выраженных максимума (без учета цеха по производству силикатного кирпича), следовательно число подсистем равно М =3 [2].
В соответствии с условием выделения подсистем первая подсистема
Е ni j ^ J=i
включает 4 элемента
3,45, вторая подсистема - также 4 элемента
( 8 ^ ' 12 '
Е n 2 J = 3,46 и третья подсистема - тоже 4 элемента Е n 3 J = 3,52
\ J=5 U=9
Погрешность декомпозиции составляет: 0,7% - для первой подсистемы, 0,5% - для второй подсистемы и 1,2% - для третьей.
В дальнейшем задача анализа сложной ТТС ПП решается независимо по подсистемам. Каждая из выделенных подсистем соответствует определенному цеху предприятия и может быть рассмотрена отдельно, без учета влияния на ее работу других подсистем данного предприятия.
Производство продукции в фаянсовом цехе и цехе товаров народного потребления происходит по одной технологии, отсюда и теплотехнологические схемы цехов предприятия идентичны (отличия существуют лишь в
производительности и пропускной способности отдельного оборудования). С точки зрения анализа существующей и разработки новой энергосберегающей ТТС ПП для данных цехов достаточно рассмотреть один (любой) цех и применить разработанные энергосберегающие мероприятия на другом. В данном анализе будем рассматривать цех фаянсовых изделий. ТТС ПП фаянсового цеха предприятия показана на рис. 3.
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Число преобразований (элементов)
Рис. 2. Диаграмма средних энергетических уровней
Рис. 3. Исходная теплотехнологическая схема цеха фаянсовых изделий Смоленского ОАО «Гнездово»
Элементы схемы: I - зона охлаждения готовой продукции вторичным воздухом обжиговой печи; II - зона обжига; III - зона нагрева фаянсовых изделий уходящими газами (продуктами горения) обжиговой печи; IV -сушильная установка; V - газовоздушный теплообменный аппарат.
Материальные потоки: 1 - природный газ; 2 - первичный воздух на горение газа; 3 - вторичный воздух; 4 - влажные фаянсовые изделия; 5 - сухие фаянсовые изделия; 6 - готовая продукция; 7 - уходящие газы (продукты
горения); 8 - уходящие газы в атмосферу; 9 - холодный сушильный агент (воздух); 10 - подогретый сушильный агент (воздух); 11 - технологически пар в сушилку; 12 - конденсат к источнику пароснабжения; 13 - влажный воздух в атмосферу.
Исходная ТТС ПП фаянсового цеха предприятия включает систему сушки фаянсовых изделий перед обжигом и непосредственно обжиг продукции. Система сушки состоит из газовоздушного теплообменного аппарата для предварительного подогрева воздуха уходящими газами и сушильной установки, греющим теплоносителем в которой является технологический пар. Конденсат после сушильной установки отправляется обратно на производственную котельную. Обжиговая печь фаянсового цеха -непрерывного действия, шахтного типа, работающая на природном газе.
В цехе фаянсовых изделий предполагается провести следующие мероприятия структурного изменения ТТС ПП, позволяющие увеличить КПД рассматриваемой ТТС ПП и уменьшить потребление энергоресурсов:
1) дополнительно охладить готовую продукцию вторичным воздухом на выходе из обжиговой печи. Данное мероприятие позволит увеличить температуру вторичного воздуха, а следовательно и газо-воздушной (топливной) смеси, на входе в зону обжига печи и сократить расход природного газа примерно на 9% по сравнению с исходной схемой;
2) в дополнение к мероприятию 1 утилизировать теплоту уходящих газов, выбрасываемых в атмосферу путем установки дополнительного газовоздушного теплообменника. Нагреваемым теплоносителем является вторичный воздух. Такое схемное решение позволяет сократить расход природного газа на 8,5% по сравнению с первоначальной схемой;
3) в дополнение к мероприятию 2 утилизировать теплоту влажного воздуха на выходе из сушильной установки. Внутренняя регенерация потока влажного воздуха позволит сократить расход технологического пара на сушильную установку;
4) в дополнение к мероприятию 3 охладить потоки уходящего газа и влажного воздуха, выбрасываемые в атмосферу, для использования утилизированного тепла на воздушное отопление цеха фаянсовых изделий. В настоящее время в цехе применяется, наряду с системой воздушного отоплением, водяная система отопления. Расчеты показывают, что утилизированного тепла должно полностью хватить на отопление данного цеха, что позволит сократить расход природного газа в производственной котельной предприятия.
Значения коэффициентов использования тепла пит для предложенных вариантов ТТС ПП представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты расчета Пит показателей энергетической эффективности
Исходная Мероприятия
схема 1 2 3 4
0,391 0,396 0,395 0,429 0,627
В табл. 3 сведены результаты экономического анализа рассматриваемых вариантов изменения ТТС ПП цеха фаянсовых изделий Смоленского ОАО «Гнездово».
Как уже отмечалось выше, данный анализ, а следовательно и все предлагаемые энергосберегающие мероприятия, справедливы и для цеха товаров народного потребления.
Таблица 3
Результаты предварительного экономического расчета рассматриваемых схем цеха фаянсовых
изделий
№ схемы Капитальные затраты на реализацию проекта, тыс. руб. Экономия энергетических ресурсов, тыс. руб/мес Срок окупаемости, не более, месяцев
Мероприятие 1 112,2 3,57 30,4
Мероприятие 2 74,5 2,70 21,6
Мероприятие 3 156,7 11,90 13,2
Мероприятие 4 193,0 20,70 9,3
Следующим цехом, анализ которого позволит получить определенный энергосберегающий эффект на данном предприятии, является цех керамической плитки. ТТС ПП данного цеха показана на рис. 4.
Исходная ТТС ПП цеха керамической плитки включает: систему сушки изделий, обжиг и охлаждение продукции. Система сушки и обжиг совмещены в одном технологическом агрегате - обжиговой печи керамической плитки (конструктивно несколько отличающейся от обжиговой печи цеха фаянсовых изделий). Сушка происходит за счет горения природного газа. Дополнительно достигается прогрев изделий до определенной температуры перед поступлением их в зону обжига. Зона обжига материала и охлаждения его вторичным воздухом в цехе керамической плитки аналогична данным зонам обжиговой печи в фаянсовом цехе.
Рис. 4. Исходная теплотехнологическая схема цеха керамической плитки Смоленского ОАО
«Гнездово»
Элементы схемы: I - зона сушки влажной керамической плитки обжиговой печи; II - зона обжига; III - зона охлаждения керамической плитки вторичным воздухом обжиговой печи; IV - воздушный охладитель готовой продукции.
Материальные потоки: 1, 3 - природный газ; 2, 4 - первичный воздух на горение газа; 5 - влажные изделия (керамическая плитка); 6 - готовая продукция; 7 - охлажденная готовая продукция; 8 - уходящие газы; 9 - уходящие газы в атмосферу; 10 - охлаждающий воздух; 11 - охлаждающий воздух в атмосферу; 12 -вторичный воздух.
В цехе керамической плитки основными вторичными энергопотоками, не используемыми в данной схеме, являются потоки уходящего газа из обжиговой печи и охлаждающего воздуха из охладителя готовой продукции. Тепловой потенциал потоков можно использовать:
- для подогрева первичного воздуха на входе в зону сушки обжиговой печи. При использовании теплоты охлаждающего воздуха экономия природного газа достигается в размере около 2%, а при использовании тепла уходящих газов - до 16%;
- для подогрева первичного воздуха на входе в зону обжига обжиговой печи. Экономия природного газа составит: при использовании в качестве греющего теплоносителя воздуха - 5%, а уходящих газов - 33%;
- для подогрева вторичного воздуха перед подачей его в зону обжига. Расход топлива при этом сокращается на 2,5% - если использовать теплоту охлаждающего воздуха и 10% - если использовать теплоту уходящих газов.
Кроме этого, возможна комбинация предложенных вариантов. Выбор наиболее оптимального распределения потоков проводился с использованием алгоритма нахождения совершенных паросочетаний [2, 3, 4]. В качестве весовых коэффициентов в матрице смежности использовались коэффициенты использования тепла. Найденные совершенные паросочетания и являются оптимальным распределением (замыканием) вторичных энергопотоков.
Полученная схема имеет наиболее высокий коэффициент использования тепла, который составляет 0,589 (у исходной схемы он составил 0,521). Экономия природного газа достигает 36%, срок окупаемости - не более 13 месяцев.
В добавление к сказанному следует отметить, что для полного анализа теплотехнологической системы ОАО «Гнездово» и определения влияния каждого из взаимосвязанных элементов необходимо рассмотреть взаимодействие между цехами, котельной и возможность использования невостребованных вторичных энергетических ресурсов одного цеха другим.
Выводы
Проведенный анализ теплотехнологической системы предприятия строительной отрасли промышленности позволяет сделать выводы о достаточно высоком энергосберегающем потенциале этой системы. Причем, повышение эффективности работы схемы достигается не за счет применения новейших технологий и современного энергосберегающего оборудования, а путем несложных структурных преобразований и минимального использования дополнительного теплообменного оборудования. Увеличение показателей энергетической эффективности и сокращение потребления первичных энергоносителей требует незначительных капиталовложений, а срок окупаемости, в среднем, не превышает двух лет.
Summary
An analysis of thermal and technological systems of different branches of industry enterprises is realized. The conclusions about of high energy-saving potential of these systems are made. The variants of utilization of internal energy resources, which enables of primary type of energy consumption reduction, are suggested.
Литература
1. Проектирование и расчет аппаратов технологии горючих ископаемых / Н.Г. Дигуров, А.Г. Китайнер, А.Ю. Налетов, В.В. Скудин. - М.: Химия, 1993.
2. Галковский В.А. Оптимизация энергосберегающих
теплотехнологических систем: Автореф. дис... канд. техн. наук - Москва, МЭИ, 2002.
3. Богатырев А.Ф., Панченко С.В., Галковский В.А. Экономия энергоресурсов теплотехнологической схемы с применением внутренней регенерации: Тез. докл. 11-ой международной конференции «Энергетика, экология и экономика» - Казань: КГЭУ, 1998.
4. Панченко С.В., Галковский В.А. Термоэкономический анализ сложной структуры / Современные проблемы исследования в энергетике, информатике и управлении: Сб. статей / Общество «ЗНАНИЕ» России. Смоленская областная организация. - Смоленск, 1998. - С. 176-179.
Поступила 21.02.2008
