10. Энергосбережение в системах производства и распределения энергоносителей промышленных предприятий

Рассмотрим основные работы по энергообследованию систем энергоносителей предприятий (газоснабжение, воздухоснабжение, водоснабжение, холодоснабжение, пароснабжение) и энергосберегающие мероприятия, рекомендованные к внедрению.

Система газоснабжения. Обследуется техническое состояние трубопроводов, газопотребляющих установок и газораспределительной арматуры. Определяется газоплотность системы, фактический уровень потребления газа, показатели неполноты сгорания газа и утечки газа. Разрабатывается комплекс мероприятий по повышению технологической оснащенности газопотребляющих объектов (автоматизация, средства учета и регистрации, диспетчеризация), рассматривается вопрос о детандерных установках выработки энергии вместо редуцирования при больших объемах потребляемого газа. Устраняются утечки, неплотности, восстанавливаются или заменяются редукционные и другие клапаны, применяются экономичные горелки.

Система воздухоснабжения. Составляется схема распределения сжатого воздуха с указанием размеров линий и давлений, список потребителей сжатого воздуха, временные графики работы и объемы потребления, места утечек сжатого воздуха и их объемы. В процентах объем утечек равен отношению мощности компрессора для поддержания давления при неработающем оборудовании, к средней мощности компрессора в обычном режиме работы. Измеряются характеристики электроприводов, загрузка компрессора, параметры системы регулирования давления, соответствие диаметров расходу воздуха, наличие конденсата, утечки, давление у потребителей. Обследуется система охлаждения, т.е. расход и температура охлаждающей воды на входе и выходе, состояние градирен, объем подпитки, утечки.

Возможные мероприятия по энергосбережению следующие:

• Устранение утечек, осушка воздуха, оптимизация конфигурации (схемы) системы распределения воздуха.

• Установка систем регулирования давления, секционирование компрессоров, межступенчатое охлаждение, ограничение расхода охлаждающей воды.

• Модернизация электроприводов, установка частотно-регулируемого привода, применение экономичных новых компрессоров с высоким КПД.

• Применение тепловых насосов для охлаждения воды.

• Подогрев сжатого воздуха перед пневмоприемниками.

• Замена пневмоинстурмента на электроинструмент, сжатого воздуха другими энергоносителями (где возможно).

• Отключение отдельных участков или всей сети сжатого воздуха в неработающее время.

• Отключение лишних компрессоров при снижении расхода сжатого воздуха.

• Автоматизация открытия всасывающих клапанов, внедрение в поршневых компрессорах прямоточных клапанов.

• Снижение номинального рабочего давления компрессоров.

• Осуществление резонансного наддува воздушных поршневых компрессоров.

• Систематический контроль утечек сжатого воздуха на участках, систематическое устранение неплотностей в сальниках, трубопроводах, арматуре.

Система водоснабжения. Насосные установки. Составляется схема водоснабжения с учетом проведенных реконструкций, собираются данные по водопотреблению. Снимаются графики водопотребления, тестируются утечки и непроизводительные потери, соответствие качества воды технологическим требованиям. Проверяются насосы, градирни, фильтры, другое оборудование и арматура. Оценивается коррозионное состояние трубопроводов.

Возможные мероприятия по энергосбережению;

• Устранение утечек, применение экономичной арматуры.

• Замена на более дешевую воду (техническую, артезианскую, оборотную).

• Применение сухих градирен.

• Модернизация электроприводов насосов, внедрение ЧРП.

• На насосных установках – повышение КПД насосной станции путем замены насосов на более экономичные новые, повышения КПД действующих до паспортных значений.

• Улучшение загрузки насосов и совершенствование регулирования их работы (обеспечение максимальной подачи, регулирование работы напорной или приемной задвижкой, изменение числа работающих насосов, частоты вращения электродвигателя).

• Уменьшение сопротивления трубопроводов (ликвидация резких поворотов, неисправностей задвижек, засоренностей всасывающих устройств).

• Сокращение расхода и потерь воды, бесцельного её расходования, внедрение оборотного водоснабжения, уменьшение расхода воды за счет совершенствования систем охлаждения.

Система холодоснабжения. Измеряются графики холодильных нагрузок, характеристики холодильного цикла, вторичного контура, электропривода компрессоров, вентиляторов и насосов, системы регулирования охлаждения. Оценивается наличие воздуха в холодильном контуре, обмерзание холодных поверхностей, состояние теплоизоляции хладопроводов и холодильных камер, расход охлаждающей воды и температуры на входе и выходе, состояние градирен и трубопроводов оборотного цикла, величина подпитки.

Возможные мероприятия по энергосбережению:

• Устранение воздуха из хладоагента и заполнение системы до нужного уровня.

• Очистка холодных поверхностей.

• Установка систем регулирования температуры.

• Теплоизоляция трубопроводов и камер, установка пластиковых штор.

• Снижение расхода охлаждающей воды и величины подпитки.

• Модернизация электроприводов компрессоров, внедрение ЧРП.

• Установка тепловых насосов.

• Отключение установок, если охлаждение не нужно. Использование выделяющегося тепла. Правильный выбор числа одновременно работающих компрессоров.

Система пароснабжения. Проверяются параметры (температура и давление) пара на вводе и у потребителей, состояние конденсатоотводчиков, теплоизоляции, утечки, наличие воздуха и неконденсируемых газов, пролетного пара, возврат конденсата.

Возможные мероприятия по энергосбережению:

• Теплоизоляция и устранение утечек пара.

• Установка конденсатоотводчиков, исключение острого пара, сбор и возврат конденсата.

• Утилизация тепла конденсата, замена пара на воду.

• Децентрализация тепловых завес и горячего водоснабжения.

• Снижение давления пара, возврат конденсата под давлением.

• Оптимизация схемы системы парораспределения.

11. Энергосбережение в высокотемпературных тепловых технологиях и промышленных печах

Основа энергосберегающего эффекта в высокотемпературных теплотехнологических установках (ВТТУ) закладывается в первую очередь разработкой рациональных их тепловых схем и элементов конструкции при проектировании. В практику разработок ВТТУ должен обязательно входить этап сравнительного анализа различных вариантов тепловых схем. Далее мы будем рассматривать топливные ВТТУ.

Повышение эффективности использования топлива в ВТТУ может быть достигнуто тремя путями:

1. Уменьшение тепловых отходов ВТТУ.

2. Регенерация тепловых отходов ВТТУ.

3. Внешнее использование отходов ВТТУ в энергетических или технологических целях.

В первую очередь следует стремиться к снижению тепловых отходов с отходящими газами, потерь через огнеупорные ограждения и с охлаждением элементов реактора (высокотемпературной зоны) ВТТУ. На эффективность ВТТУ решающее влияние оказывают потери теплоты через кладку (ограждения) и с охлаждением отдельных элементов (ролики, поддерживающие балки,…), которые назовем условно потерями в окружающую среду Q_ос. Их влияние возрастает с увеличением отношения Q_ос/Q_м, где Q_м – теплопоглощение обрабатываемого материала. Хотя наибольшими в тепловом балансе топливных ВТТУ являются потери теплоты с отходящими газами Q_ог, даже наиболее полное их регенеративное использование (предварительный нагрев материала и компонентов горения) может оказаться при Q_ос/Q_м >> 0 совершенно недостаточно для высокой экономии топлива и подъёма КПД. Наивысший результат может быть только при одновременном глубоком снижении Q_ос/Q_м и наиболее полной регенерации теплоты Q_ог отходящих из реактора газов.

Количественный анализ разных способов энергосбережения в ВТТУ удобно проводить с использованием коэффициента отъема теплоты топлива _о, или коэффициента использования теплоты топлива в рабочем пространстве (КИТ), который показывает, какая доля химической теплоты топлива используется в рабочем пространстве ВТТУ на технологические нужды Q_техн и компенсацию тепловых потерь Q_ос

(11.1)

где В – расход топлива, кг/с (м³/с), Q_н^р – теплота его сгорания, МДж/кг (м³). Так как удельный расход топлива b = B/P, где Р – производительность ВТТУ, кг/с. то получаем выражение для удельного расхода топлива

, (11.2)

из которого видно, что при заданной производительности Р удельный расход зависит от Q_техн, Q_ос и _о. Уменьшение величины Q_техн + Q_ос на Q, например, за счет снижения потерь теплоты через ограждения уменьшает удельный расход топлива на Q/b. Так как обычно в ВТТУ _о  0,5, то снижение на единицу теплоты Q_техн + Q_ос дает снижение расхода топлива на две и более единиц теплоты. Удельный расход топлива снижается пропорционально увеличению _о, что обеспечивается повышением теплоты сгорания топлива, подогревом топлива и окислителя, снижением потерь с отходящими газами.

Перед разработкой и проведение энергосберегающих мероприятий на ВТТУ и печах необходимо провести их энергообследование, в ходе которого для газовых печей измеряются режимные параметры, состав дымовых газов в различных точках, давление в топке и тракте печи. Для электрических (резистивных) печей измеряется график активной нагрузки, для индуктивных и дуговых печей – дополнительно реактивная нагрузка и параметры качества электроэнергии. Измеряется масса, теплоемкость, скорость или частота загрузки, температуры наружных поверхностей по всему тракту, расход и температуры охлаждающей воды на входе и выходе, характеристики электропривода вытяжных вентиляторов и дымососов. Анализируется избыток воздуха, КПД, состояние изоляции и потери с излучением, потери с дымовыми газами, общий тепловой баланс ВТТУ, присосы по тракту, уровень атмосферных выбросов.

Возможные рекомендации по энергосбережению в ВТТУ и печах следующие:

• Настройка топочных режимов, применение автоматических регуляторов.

• Теплоизоляция наружных поверхностей, уплотнение заслонок и газовоздушного тракта.

• Забор воздуха из помещений цеха, утилизация тепла дымовых газов, установка регенераторов и регенеративных горелок.

• Предварительный подогрев шихты за счет утилизируемого тепла.

• Увеличение массы садки (исключение дополнительных «подвалок») и совершенствование подготовки шихты.

• Установка фильтров и компенсаторов реактивной мощности для электропечей.

• Оптимизация графика работы, сокращение времени и нагрузки при простое.

• Совершенствование системы водоохлаждения.

• Модернизация электропривода вытяжных вентиляторов и дымососа, внедрение ЧРП.

• Снижение тепловых потерь за счет увеличения стойкости и качества футеровки, окраска наружных поверхностей кожуха печи алюминиевой краской.

• Снижение потерь тепла с охлаждающей водой, с отходящими газами, излучением через окна и отверстия печи.

12.Энергосбережение в системах отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха

Условно мероприятия по энергосбережению в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха можно разделить на четыре группы:

1. Организация учета и контроля за использованием энергоносителей.

2. Объемно-планировочные, строительно-конструктивные меры по энергосбережению.

3. Энергосбережение путем совершенствования систем и их элементов.

4. Энергосбережение утилизацией природной теплоты и холода, путем использования вторичных энергоресурсов.

Рассмотрим их подробнее.

Организация приборного учета позволяет выявить фактическое потребление тепловой энергии, которое, в общем случае, может отличаться от проектного, и это различие может составлять до 30 %. Обычно данное превышение связано с ухудшенными характеристиками ограждающих конструкций здания. Организация учета и контроля должно стимулировать внедрение энергосберегающих мероприятий по п.2…4.

Объемно-планировочные и строительно-конструкторские энергосберегающие меры связаны с уменьшением тепловых потерь и теплопоступлений. Эти меры связаны с выбором ориентации здания относительно сторон света, выбором формы здания в плане и по вертикали, применением солнцезащитных устройств, уменьшением затрат энергии ни искусственное освещение, выбором степени и характера остекления. Другие меры этой группы связаны с уменьшением расхода инфильтрующегося воздуха (герметизация проемов и стыков). В целом эти мероприятия предусматриваются на стадии проектирования зданий. Параметром, отражающим качественный уровень объемно-планировочного решения с точки зрения энергетических затрат, служит отношение общей площади поверхности наружных ограждающих конструкций к отапливаемому объему здания. Размерность этого параметра м²/м³ = 1/м = м^-1. Нормативный показатель не должен превышать значения 0,25 1/м для зданий с 16 этажами и более и 1,1 1/м – для одноэтажных домов. Показателем, характеризующим теплозащитные свойства ограждающих конструкций, служит приведенное сопротивление теплопередаче через ограждения, которое определяется СНиП II-3-79 «Строительная теплотехника» (2000 г) и после 2000 г для наружных стен проектируемого жилого здания должно составлять 2,8…3,5 (м²С)/Вт. Прежние требования СНиП заключались в интервале 2,3…3,2 (м²С)/Вт.

К энергосбережению путем совершенствования систем и их элементов можно отнести следующие мероприятия:

• Уточнение расчетных условий (выбор расчетных температур наружного и внутреннего воздуха, правильный выбор необходимого количества свежего воздуха).

• Уменьшение инфильтрации (создание подпора, воздушных завес,…).

• Снижение потерь (изоляция трубопроводов и воздухопроводов, уменьшение коэффициентов гидравлических и аэродинамических потерь, исключение утечек теплоносителя, повышение КПД оборудования).

• Использование предварительного нагрева и охлаждения теплоносителей.

• Комбинирование систем между собой (например, центральная и автономная системы кондиционирования воздуха) и с другими системами (например, комбинированная СКВ и системы отопления).

• Автоматизация процессов теплоснабжения и подготовки воздуха.

• Качественное и количественное регулирование.

К энергосбережению утилизацией природной теплоты и холода и с использованием вторичных энергоресурсов относятся следующие меры:

• Пассивное и активное использование солнечной энергии.

• Использование природной теплоты и холода (воды, наружного воздуха, грунта).

• Использование внутренних источников теплоты и холода (теплоты и холода удаляемого воздуха, теплоты источников освещения, теплоты нагревательных приборов, теплоты сточных вод и т.д.).

• Использование теплонасосных установок с целью повышения потенциала природных источников теплоты.

Перед разработкой энергосберегающих мероприятий должно проводиться обследование систем отопления, вентиляции, кондиционирования и горячего водоснабжения. При этом измеряются расходы и температуры прямой и обратной сетевой воды (теплоносителя), характеристики электропривода насосов и вентиляторов, температур и влажностей воздуха в помещениях и снаружи, инфильтрация, кратность воздухообмена, рециркуляция. Снимаются графики нагрузок систем, составляются тепловые и водные балансы. Тестируются системы регулирования и учета. Проверяется правильность выбора электроприводов вентиляторов и исправность воздуховодов систем вентиляции и калориферных установок. Обследуются фактические эксплуатационные характеристики систем вентиляции и калориферных установок.

Возможные мероприятия по энергосбережению:

• Теплоизоляция трубопроводов, теплообменников и арматуры, устранение утечек.

• Внедрение центральных и индивидуальных регуляторов, рекуперация вентиляционного тепла.

• Исключение перегрева и переохлаждения, включение установок только тогда, когда в помещении находятся люди или идут технологические процессы. Минимизация объемов приточного и отработанного воздуха.

• Использование систем газового отопления, лучистого (радиационного) отопления.

• Для сокращения расхода энергии на вентиляционные установки проводят следующие мероприятия:

• Замена старых вентиляторов новыми, более экономичными.

• Внедрение экономичных способов регулирования производительности вентиляторов (ЧРП).

• Блокировка вентиляторов тепловых завес с устройствами открывания и закрывания ворот.

• Отключение вентиляционных установок во время обеденных перерывов, пересмен и т.д.

• Внедрение автоматического управления вентиляционными установками.

• Составление руководств по эксплуатации, управлению и обслуживанию систем отопления, ГВС, вентиляции и кондиционирования, периодический контроль со стороны руководства за выполнением (экономия 5…10 %).

• Оснащение систем отопления, ГВС и водоснабжения счетчиками расходов (до 50 %).

• Дополнительная изоляция стен и перекрытий, тройное и вакуумное остекление, дополнительная пленка в межрамном пространстве окон (15…30%).

• Снятие декоративных ограждений с радиаторов отопления и установка теплоотражателей за радиаторами.

• Внедрение индивидуальных автоматических регуляторов (радиаторных термостатических клапанов).

• Применение экономичной водоразборной арматуры, установка регуляторов давления.

• Автоматизация систем теплоснабжения путем установки блочных и автоматизированных индивидуальных тепловых пунктов (ИТП).

• Установка интегрированных систем управления инженерным оборудованием зданий.

12.Энергосбережение в сушильных, выпарных, ректификационных и других тепломассообменных процессах и установках

Тепловая сушка, являясь составной частью многих технологий, относится к числу наиболее энергоемких технологий. Затраты на сушку составляют около 12 % всех затрат энергии в промышленности и сельском хозяйстве. Широкая распространенность процессов сушки и их низкие (30…35 %) коэффициенты полезного использования энергии обуславливают актуальность энергосбережения в сушильных установках.

В общей массе сушильных установок преобладают конвективные сушильные установки. Технологические процессы обуславливающие конвективную тепловую сушку можно разделить на три группы или стадии:

1. Подговительная группа – в которой используются аппараты подготовки сушильного агента и сушимого материала.

2. Основная группа – реализуется в одной или нескольких сушильных камерах.

3. Заключительная группа – утилизация вторичных энергоресурсов, улавливание пыли и т.д.

Для снижения удельных затрат на обезвоживание материала на подготовительной стадии используются такие способы, как предварительное нагревание, пенообразование, дробление, воздействие поверхностно-активных веществ, виброобработка, снижение энергии связи влаги с материалом, совершенствование тепловых генераторов и т.д. На заключительной стадии снижение тепловых затрат достигается в основном за счет утилизации теплоты уходящих газов и высушенного материала с помощью рекуперативных, регенеративных или контактных теплообменников, используемых для нагрева подаваемого воздуха, теплофикационной или технологической воды, предварительного подогрева сушимого материала.

Процесс сушки определяется статикой и кинетикой. Под статикой сушки понимают материальный баланс и тепловой баланс сушилки, которые позволяют определить расходы сушильного агента и теплоты, а также оценить тепловую экономичность сушки. Изменение во времени среднеинтегральных влагосодержаний материала и его температуры называют кинетикой сушки, и её знание позволяет определить продолжительность сушки и габариты установки, а значит тепловые потери в окружающую среду и экономичность сушилки. Процесс сушки, в общем случае, состоит из периода подогрева, первого и второго периодов сушки, интенсивность удаления влаги в которых зависит от различных факторов. В первом периоде интенсивность сушки определяется скоростью подвода теплоты к сушимому материалу и отвода массы с его поверхности в окружающую среду, во втором периоде – скоростью передачи теплоты вглубь материала и подвода массы из внутренних слоев материала в зону испарения.

В соответствии с этим все энергосберегающие мероприятия в сушильных установках можно разбить на три группы.

1. К первой группе относятся теплотехнологические мероприятия, касающиеся сушильной установки в целом:

• Теплотехнические, т.е. выбор тепловой схемы, режимных параметров сушки (температуры, скорости и влагосодержания сушильного агента, …), режимов работы установки, коэффициентов рециркуляции, управление конечным влагосодержанием и др.

• Конструктивно-технологические – оптимизация числа зон промежуточного подогрева сушильного агента, выбор направления взаимного движения сушильного агента и материала, совершенствование систем подвода теплоты, улучшение аэродинамической обстановки в сушильной камере и др.

2. Ко второй группе относятся мероприятия касающиеся кинетики процесса сушки (кинетические мероприятия).

• Методы интенсификации внешнего теплообмена и массообмена – повышение температурного напора, повышение движущей силы массообмена, коэффициента теплоотдачи к сушимому материалу, поверхности тепло- и массообмена и т.д.

• Методы интенсификации внутреннего теплообмена и массообмена – повышение температуры материала в первом периоде сушки, снижение термодиффузионной составляющей потока массы при её разнонаправленности с диффузионной составляющей, использование внешних полей – электрических, магнитных, звуковых, использование ПАВ и т.д.

• Методы кинетической оптимизации – управление профилем скорости, температуры и влагосодержания сушильного агента на входе в установку, линеаризация кинетики сушки изменением формы сушильной камеры, активизация процесса взаимодействия сушильного агента и материала, реверсия и т.д.