2. Энергобалансы предприятий. Энергетический мониторинг

Энергетический баланс (энергобаланс) промышленного объекта (предприятия, цеха, технологической линии, установки, аппарата) является выражением закона сохранения энергии и дает комплексную характеристику приходов и расходов топлива, теплоты, электроэнергии, пара, конденсата и других энергоносителей в определенных условиях эксплуатации системы энергоснабжения промышленного предприятия. Основными элементами энергобаланса являются расходные и приходные части, которые должны быть равны.

Назначение энергобалансов в определении необходимого количества энергоресурсов, анализ и оценка эффективности их использования при проектировании новых, эксплуатации и модернизации действующих объектов, разработке энергосберегающих мероприятий, снижению себестоимости продукции. Под оптимальной структурой энергобаланса предприятия понимают такую структуру использования различных видов топлива и энергии отдельными категориями потребителей и предприятием в целом, при которой общая сумма затрат на энергоресурсы на производство запланированного объема продукции была бы минимальной при условии соблюдения ограничений по ресурсам различных видов топлива и энергии.

Различают общие (полные, сводные) и частные энергобалансы. В сводных энергобалансах учитывают все виды энергоресурсов, и они составляются для выбора оптимального варианта энергоснабжения предприятия в целом. В частных энергобалансах составляются балансы по какому-то одному энергоресурсу или энергоносителю. К частным энергобалансам относятся пароконденсатный баланс, топливный баланс, тепловые балансы систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и т.д.

По способам составления различают опытный (инструментальный), расчетный и опытно-расчетный энергобалансы. Опытный энергобаланс составляется с использованием стационарных или портативных средств измерений, расчетный – на основе технологических, теплотехнических и других видов расчета. При разработке проектов технологических или санитарно-технических систем, предприятия в целом, расчеты энергобалансов выполняют, как правило, по укрупненным показателям, по удельным нормам расхода каждого вида ТЭР на выпуск продукции, на технологический процесс.

По содержанию выделяют синтетический и аналитический балансы. В синтетическом балансе определяется общее потребление и распределение подведенных ТЭР по подразделениям и отдельным элементам объекта. В аналитическом балансе, помимо этого, оценивается эффективность энергоиспользования, т.е. выделяются полезные составляющие баланса и потери ТЭР.

При составлении энергобаланса промышленного предприятия можно воспользоваться обобщенной моделью

Уравнение энергобаланса Q_прих = Q_ух может быть представлено в виде

,

где i – приходящие потоки теплоты и энергии;

j – уходящие потоки теплоты и энергии;

Q_i, Q_j – потоки теплоты, связанные с приходящими и уходящими потоками вещества G_i и G_j, например, с паром и конденсатом, топливом и уходящими газами и т.п.

Q_Gi, Q_Gj – потоки теплоты, связанные с проходящими через предприятие и циркулирующими по замкнутому контуру потоками вещества (хладоносителей, теплоносителей), например, сетевой или оборотной водой;

Q_Fi, Q_Fj – потоки теплоты, подведенные и отведенные через строительные ограждения (стены, окна, полы, потолочные перекрытия и т.д.);

N_i, N_j – подведенная и отведенная электрическая или механическая энергия (мощность).

Понятно, что i  j, так как в производстве могут быть многочисленные слияния и разделения потоков веществ, химические превращения, преобразования одних видов энергии в другие. Правая, расходная часть баланса включает как полезно используемые потоки теплоты Q_jп и Q_Gjп, так и рассеиваемые в окружающую среду Q_jос, Q_Gjос и Q_Fj. Поэтому уравнение энергобаланса может быть преобразовано к виду

.

Рассеяние теплоты в окружающую среду происходит при выбросе в атмосферу уходящих газов печей и котлов, удалении вытяжного вентиляционного воздуха, потерях теплоты через наружные поверхности трубопроводов и оборудования, находящихся вне зданий, при охлаждении оборотной воды в градирнях, сбросе сточных вод и конденсата в канализацию, хранении продукции и полуфабрикатов на открытых площадках.

На любом предприятии есть системы или установки с периодическим режимом работы. Кроме того, системы и установки, основным режимом работы которых является установившийся режим с постоянным расходом энергоносителей, сырья и материалов, также периодически включаются и выключаются из работы. Часть рабочего времени они эксплуатируются при неполной загрузке или на холостом ходу. Поэтому для предприятия, для систем или установок, работающих в периодическом или переменном режиме, энергобаланс составляется не для момента, а для интервала времени, в течение которого производственный цикл полностью заканчивается. Это может быть период технологического цикла, рабочая смена, сутки, месяц, квартал, отопительный или летний периоды, календарный год.

Выбор оптимальной структуры топливно-энергетического баланса предприятия требует большого объема информации о технико-экономических показателях производства продукции при использовании различных видов энергетических ресурсов, о возможности их взаимозаменяемости, межцеховых связей по использованию топлива, ограниченности одних и обязанности полного использования других энергоресурсов и т.д. Для этого привлекаются методы математического моделирования, и составляется экономико-математическая модель, т.е. система уравнений и неравенств, описывающих структуру топливно-энергетического баланса предприятия в количественных индексах. Задача линейного программирования включает три пункта:

• цель оптимизации энергобаланса;

• возможные способы достижения цели и объемы производства продукции;

• ресурсы топлива и энергии.

При выборе способов достижения цели надо рассматривать только те категории потребителей, для которых можно использовать два или более способа применения энергоресурсов (есть взаимозаменяемость ресурсов).

Для составления экономико-математической модели ТЭБ предприятия необходимо иметь следующие данные, причем точность этих данных имеет огромное значение:

• план производства различных видов продукции;

• данные по возможным технологическим способам производства каждого вида продукции;

• технико-экономические показатели по каждому технологическому способу;

• данные о возможных ресурсах различных видов топлива и энергии.

Для каждого технологического способа надо определить удельные расходы энергоресурсов, после чего находят сумму денежных затрат на топливо и энергию в объеме заданного вида продукции.

Для эффективного управления системой энергоснабжения промышленного предприятия необходимо создание системы энергетического мониторинга. Использование экономико-математических методов и вычислительной техники позволяет создать человеко-машинную систему управления, в которой автоматизированы расчеты по обработке информации, а иногда и принятия решений.

Процесс управления осуществляется путем непрерывного обмена информацией между элементами системы управления. Различают основные виды потоков информации: плановый, отчетный, нормативно-справочный и научно-технический.

Плановая информация задает цели и внешние условия развития и функционирования объекта, она делится на директивную и рекомендательную информацию. Директивная информация содержит задание в виде планов, указаний, распоряжений и т.д. Рекомендательная информация не имеет обязательного характера, она раскрывает общее направление развития и используется при выработке решений.

Отчетная информация характеризует состояние управляемого объекта за определенный период времени или момент времени. Отчетная информация со строгой периодичностью образует статистическую информацию. Отчетная информация всегда направлена снизу вверх по иерархии управления.

Нормативно-справочная информация включает в себя данные о внешних и внутренних условиях развития и функционирования объекта. К ней относятся технические условия, стандарты, нормативы и т.д.

В общем случае информация должна удовлетворять следующим требованиям:

• направленности – четко указывать источник возникновения и объекты, которые её используют;

• достаточности – быть исчерпывающей для принятия решения;

• достоверности – удовлетворять принятым критериям качества;

• сопоставимости – позволять проводить сравнения объектов или исследовать их поведение в динамике;

• стабильности – сохранять неизменным экономическое содержание основных понятий;

• своевременности – обеспечить поступление информации к отдельным объектам системы управления с периодичностью и в сроки, которые не нарушают нормального функционирования системы;

• доступности – позволять использовать централизованную информацию во всех необходимых случаях.

В соответствии с этими требованиями можно сформулировать следующие основные принципы организации и построения рациональной информационной системы энергетического мониторинга:

1. Минимум первичной информации, максимум производной вторичной информации.

2. Полное удовлетворение требований, предъявляемых всеми звеньями и уровнями управления.

3. Организация передачи однородной информации по единому каналу.

4. Повышение абстрактности информации путем образования синтезированных показателей при переходе на более высокие уровни управления и планирования.

5. Единство показателей планирования и отчетности.

6. Периодическое обновление значений показателей и оценка их достоверности.

7. Сохранение определенной устойчивости показателей в течение длительного времени.

8. Стандартизация форм документов и методов их обработки.

9. Механизированная обработка информации.

2. Оптимизация и нормирование энергопотребления

Методической основой оптимизации тепловых схем предприятий при конструировании и модернизации теплотехнического оборудования служат термодинамические, энергетические, экономические методы и их различные комбинации. Рассмотрим их основные положения.

Энергетический метод базируется на уравнениях энергетического баланса, а критериальная оценка энергетического совершенства тепловых схем технологического процесса отражается на системе КПД. Энергетические балансы составляются из результатов обследования действующего оборудования или из технологических расчетов для проектируемого оборудования. Эффективность энерготехнологической установки определяется энергетическим КПД:

,

где Э_пол – полезно используемая энергия;

Э_подв – подведенная к установке суммарная энергия;

Э_вн – энергия, выделяющаяся внутри установки в ходе проведения технологического процесса.

В соответствии с видами энергии различают механический, энергетический и тепловой коэффициенты полезного действия. КПД технологической системы рассчитывается как произведение частных КПД, относящихся к её элементам.

Эффективность преобразования энергии зависит от показателя выхода преобразованных энергоресурсов:

,

где Э_сум – суммарная энергия преобразованных энергоресурсов;

Э_пр – энергия, поступившая на преобразование.

Эффективность энергетического хозяйства в целом характеризуется полным КПД в виде:

,

где Э_пол – полезное использование энергии на предприятии;

Э_доп – выработанная на предприятии и отпускаемая на сторону дополнительная энергия;

Э_подв – суммарная подведенная к предприятию энергия;

Э_вэ – суммарная энергия внутренних экзотермических реакций.

Для оценки энергетической эффективности различных направлений использования ВЭР в теплоэнергетических системах промпредприятий используют различные энергетические показатели, например:

,

где Q’_i – годовая тепловая нагрузка по каждому i-му виду энергоносителя;

Q_вэр – максимальное количество теплоты, получаемой от утилизационных источников;

Q_отб – тепловая нагрузка, покрываемая из отборов;

b – снижение безразмерной удельной экономии топлива за счет комбинированной выработки при замещении отборов ТЭЦ;

Q_i – годовая тепловая нагрузка по каждому i-му виду энергоносителя, покрываемая за счет утилизационных источников;

_зам – КПД по выработке i-го вида энергоносителя в замещенном энергоисточнике.

Эксергетический метод показывает степень идеальности теплотехнической системы, т.е. её термодинамическое совершенство. В отличие от энергетического баланса, эксергетический баланс учитывает потери от необратимости реальных процессов, так как принимает во внимание не только количество энергии, но и качественные характеристики подведенной и полученной энергии, её работоспособность.

Эксергетический КПД любой установки или системы имеет вид:

,

где E_вх,i, E_вых,i – суммы входящих и выходящих из системы эксергий;

l_i – сумма работ, совершаемых в системе;

D_i – сумма эксергетических потерь.

На основе эксергетического баланса рассчитывается эксергетический КПД, который может использоваться в качестве одного из критериев оптимизации:

.

С помощью эксергетического анализа можно не только выяснить оптимальный вариант тепловой схемы, но и то, в каком звене и каким образом можно сократить энергозатраты. Для этого тепловая схема разбивается на отдельные элементы, и находятся эксергетические потери в каждом из них.

Эксергетический метод указывает пути совершенствования тепловой схемы, но не дает оценку экономической целесообразности мероприятий. Поэтому любой расчет должен заканчиваться технико-экономическим анализом.

Энергоэкономический метод основан на установлении экономической эффективности капиталовложений. Для мероприятий по модернизации энергооборудования она определяется значением приведенных затрат на систему энергоснабжения или установку:

,

где З – приведенные годовые затраты, руб/год;

S – годовые эксплуатационные издержки, руб/год;

Е_н = 0,12 – нормативный коэффициент амортизации оборудования, 1/год;

К – объём капиталовложений, руб.

Оптимальный вариант характеризуется минимумом суммарного показателя приведенных затрат.

Целесообразность осуществления отдельных мероприятий по экономии топлива при дополнительных капиталовложениях можно оценить по сроку окупаемости Т_ок, год:

,

где К_д – дополнительные капиталовложения, руб;

S – экономия эксплуатационных расходов, руб/год.

Нормативный срок окупаемости T_ок = 8,3 года.

Экономическая эффективность утилизации любых тепловых вторичных энергоресурсов вычисляется по формуле:

где В – экономия условного топлива за счет утилизации теплоты, т у.т./год;

f – затраты на условное топливо, руб/т у.т.;

С – дополнительные затраты на эксплуатацию систем утилизации теплоты (электроэнергия, текущий ремонт, обслуживание, аммортизация,…);

К_ут – дополнительные капитальные затраты на систему утилизации, руб.

Если в качестве заменяющего варианта используется установка с более глубокой степенью утилизации, то эффективность i-й модернизации определится разностью приведенных затрат З_i:

,

где 0 – исходный вариант, i – предложенный вариант утилизации.

Нормирование расхода топлива, тепловой и электрической энергии – это установление плановой нормы их потребления, т.е. все промышленные предприятия обязаны иметь разработанные и утвержденные в установленном порядке нормы удельного расхода этих энергоносителей. Нормированию подлежат все расходы энергоносителей как на основные, так и на подсобные нужды производства, включая производство холода, сжатого воздуха, кислорода, освещение, водоснабжение, отопление, вентиляцию и потери во внутризаводских сетях и преобразователях энергии.

Значение расхода энергоносителя на производство единицы продукции, переработку сырья или выполняемый объем работ принято называть удельным расходом энергоносителя. Плановая величина расхода называется нормой удельного расхода, а фактический расход называется удельным расходом. Под нормой удельного расхода понимается расход при данных условиях производства, т.е. его организации и технологии, технического уровня, состояния и режима работы имеющегося оборудования. Норма удельного расхода устанавливается на основе технико-экономического расчета и является максимально-допустимой величиной расхода энергоносителе на производство продукции.

Как правило, для промышленных предприятий устанавливаются годовые нормы удельных расходов энергоносителей, с разделением их по кварталам и месяцам, по цехам, энергоемким технологическим процессам и агрегатам. Нормы расхода должны пересматриваться при совершенствовании технологии и внедрении новой техники.

Целями нормирования являются:

• Определение теоретически необходимого удельного расхода энергоносителей для конкретных условий производства.

• Обеспечение рационального и экономичного расходования энергоносителей в производстве.

• Установление потребности в энергоносителях на планируемый период.

Для нормирования расхода энергоносителей очень большое значение имеет выявление структуры общего потребления энергоносителей, в соответствии с которой должен быть организован приборный учет расхода энергоносителей по направлениям их использования. Структура энергопотребления обычно совпадает с производственной структурой предприятия и исходя из неё должна быть организована система нормирования удельных расходов энергоносителей.

Объектами нормирования должны являться энергоемкие технологические процессы и агрегаты, цехи, переделы и другие участки производства, предприятие в целом.

Нормы расхода энергоносителей подразделяются на индивидуальные и отраслевые или средневзвешенные групповые нормы. Отраслевые нормы устанавливаются по ведомствам, объединениям, отраслям в целом и являются средневзвешенными. В практике нормирования на предприятиях применяются только индивидуальные нормы, подразделенные на три группы: технологические (агрегатные), общецеховые и общезаводские. Структура этих норм различна.

Структура норм удельного расхода представляет собой перечень всех статей расхода энергоносителей, связанных с производством данного вида продукции, включаемых в норму. Она является важнейшим элементом нормирования и устанавливается исходя из организации и технологии производства. В нормы удельного расхода не должны включаться расходы и потери, вызванные отступлением от заданной технологии, режимов работы, несоблюдением требований по качеству сырья и материалов, браком продукции и другие нерациональные расходы. Расходы энергоносителей, связанные с межоперационными холостыми ходами оборудования, разогревом и пуском агрегатов (после текущего ремонта и холодного простоя), горячими простоями, включаются в норму расхода исходя из заводских нормативов. В норму на производство основной продукции не должны включаться расходы на строительство и капитальный ремонт зданий и сооружений, монтаж нового технологического оборудования, собственные нужды заводских ТЭЦ, разогрев агрегатов и пуск их после монтажа и капитального ремонта, научно-исследовательские и экспериментальные работы, отпуск энергии на сторону.

В технологическую удельную норму включаются все расходы топлива, тепловой и электрической энергии на отдельный технологический процесс с учетом расходов на поддержание технологических агрегатов в горячем резерве, на их разогрев и пуск после текущих ремонтов и холодных простоев, а также технически неизбежных потерь в оборудовании, технологических агрегатах и установках.

Технологические (агрегатные) нормы, как правило, устанавливаются для энергоемких процессов производства, в которых энергоносители используются непосредственно на технологию и энергоемких агрегатов.

Общецеховые нормы включают в себя расход топлива, тепловой и электрической энергии по технологическим нормам, установленным в цехе для энергоемких агрегатов, все другие расходы, имеющиеся в цехе на основные и вспомогательные технологические процессы, на вспомогательные и подсобные нужды цеха, а также потери энергии во внутрицеховых сетях и преобразователях. Эти нормы устанавливаются как для производственных, так и для вспомогательных цехов предприятия.

Общезаводская норма включает в себя расход топлива, тепловой и электрической энергии по общецеховым нормам и расход на общезаводские нужды, производственные нужды вспомогательных и обслуживающих цехов и служб, межцеховой транспорт, транспортирование сырья, потери в заводских сетях и преобразователях энергии.

Основным методом разработки норм является расчетно-аналитический метод. Кроме того, применяется опытный и расчетно-статистический методы. Для определения групповых норм применяется в основном расчетно-аналитический и расчетно-статистический методы, а для индивидуальных норм – расчетно-аналитический и опытный методы.

Расчетно-аналитический метод предусматривает определение норм расхода расчетным путем по статьям расхода на основе прогрессивных показателей использования энергоресурсов в производстве.

Индивидуальные нормы расхода определяются на базе теоретических расчетов, экспериментально установленных нормативных характеристик агрегатов с учетом достигнутых прогрессивных показателей удельного расхода энергоресурсов и мероприятий по их экономии.

Под нормативными характеристиками энергопотребляющего оборудования понимаются зависимости удельного расхода топлива, тепловой и электрической энергии от загрузки оборудования и других факторов при нормальных условиях эксплуатации.

Опытный метод разработки норм основан на данных, полученных в результате испытаний (эксперимента) на исправном, отлаженном оборудовании и соблюдении технологических режимов. Этот метод применяется для составления индивидуальных норм.

В тех случаях, когда невозможно использовать данные методы, применяется расчетно-статистический метод, который основан на анализе статистических данных за ряд предшествующих лет о фактических удельных расходах и факторах, влияющих на их изменение.

Основными исходными данными для определения норм расхода топлива, тепловой и электрической энергии являются:

• первичная техническая и технологическая документация;

• технологические регламенты и инструкции, экспериментально проверенные энергобалансы и нормативные характеристики энергетического и технологического оборудования, сырья, паспортные данные оборудования, нормативные показатели;

• данные об объемах и структуре производства продукции;

• данные о плановых и фактических удельных расходах топлива и энергии за прошедшие годы, а также акты проверок использования их в производстве;

• данные передового опыта отечественных и зарубежных предприятий, выпускающих аналогичную продукцию, по удельным расходам;

• план организационно-технических мероприятий по экономии топлива и энергии.

Первичными нормами, которые должны быть технически обоснованы, являются технологические и общезаводские нормы. При этом расход энергоресурсов на энергоемкие процессы, как правило, определяется расчетным путем, а расходы на неэнергоемкие процессы – силовая нагрузка, освещение, вентиляция, вспомогательные механизмы, подсобные нужды, потери в сетях цеха и т.д. – можно получить путем специальных замеров и анализа отчетно-статистических данных по энергопотреблению.

В общем виде методика расчета общезаводских удельных норм следующая: