2.1.2.3.2 Енергозаощаджуючі заходи в печах

1) Перелік заходів. Нижче перелічені деякі можливі заходи щодо економії енергії, які не потребують великих капітальних витрат [20, 22]

1. Локалізація теплових втрат в печах через технологічні отвори, дверці і оглядові отвори печей з внесенням відповідних змін і проведенням ремонтних робіт.

2. Висока ступінь завантаження установки для зниження питомих витрат енергії.

3. Здійснення безперервного контролю за використанням енергії шляхом встановлення лічильників.

4. Оптимізація процесів з точки зору споживання енергії, наприклад, шляхом розрахунку і управління оптимізацією кривої нагріву і роботи пальників для оптимізації роботи печі в цілому.

5. Скорочення гарячих простоїв печей.

6. Регулярна перевірка чистоти поверхні димових труб.

Можливі заходи по економії енергії, які потребують деяких капітальних витрат [20, 22, 30].

1. Зведення до мінімуму рівня теплових втрат з розігрітих поверхонь печі шляхом їх ізоляції.

2. Оптимізація конструкції невеликих печей різного типу методом заміни вогнетривкої цегли на легкі ізоляційні матеріали (наприклад, керамічне волокно). Особливо це стосується печей безперервної дії.

3. Повна заміна або реконструкція застарілих печей і других елементів установок для теплової обробки.

4. Застосування сучасних концепцій управління роботою обладнання, зокрема методів пропорційного управління, ламбда-датчиків, мікропроцесорів та обчислювальних пристроїв.

5. Утилізація теплоти відхідних газів.

6. Проведення енергетичного аудиту і впровадження енергетичного менеджменту.

2) Досвід країн ЄС.Статистичні дані показують, що коли взяти рівень питомого споживання енергії в 1960 р. за 100 %, то в середньому по промисловості, рівень питомого споживання в 1989 р. склав 55 % [20].

Після впровадження всіх можливих заходів енергозбереження можна досягнути рівня економії більше 70 %.

По чисто технічним причинам і для найбільш ефективного викори-стання енергії сьогодні застосовуються повністю автоматизоване обладнання контролю температури і складу паливної суміші.

Використання сучасної мікропроцесорної техніки в Європі є скоріше правилом, ніж виключенням. Воно дозволяє значно розширити можливості при виконанні наступних основних функцій:

• нагрів печі до необхідної температури з врахуванням залежності режиму нагріву від якості вихідного матеріалу і других параметрів, які торкаються дійсного теплового навантаження в кожний момент часу;

• управління нагрівом з використанням утилізації теплоти, яка відходить від печі, для роботи одної з робочих зон в залежності від навантаження і режиму робіт всієї печі;

• оперативне управління роботою печі шляхом зниження температури при виникненні відхилень в робочому режимі (економія енергії, виключення перегріву) так, щоб піч була готова до моменту розрахункового часу пуску після очікуваного усунення дефектів;

• підтримка енергетичного балансу і безперервне отримання ін-формації про режим роботи печі;

• відображення технологічного ланцюгу руху матеріалу, який нагрівається, на моніторах;

• підготовка даних і складання виробничого протоколу;

• відображення протоколу з індикацією даного об’єму виробництва та навантаження печі.

3) Рекуперація теплоти в печах.Якщо на спалювання палива подавати підігріте повітря, то його фізична теплота вноситься в процес горіння і, як результат, зменшує витрати палива. Підігрів повітря при цьому можна забезпечити за рахунок теплоти відхідних газів в рекуператорах, що встановлюються за полуменевими печами.

Введення гарячого повітря в піч підвищує температуру газів, що також веде і до інтенсифікації процесу теплообміну. Теплота, яка вводиться з гарячим повітрям в піч, збільшує швидкість реакції горіння і тим самим інтенсифікує цей процес. Це дає можливість збільшити теплове навантаження топкового об’єму, зменшити втрати внаслідок хімічної неповноти згорання, вести процес горіння при меншому коефіцієнті надлишку повітря.

Величину економії палива у відсотках в залежності від його теплоти згорання та ККД печі можна визначити наступним чином

, %,

(4.25)

де – кількість теплоти, яка вноситься з підігрітим в рекуператорі повітрям для спалювання 1 кг (1 м³) палива, кДж/кг (кДж/м³);– коефіцієнт корисної дії печі.

Потоки енергії на об'єкті

Для оцінки ефективності перетворення одного виду енергії в іншого, а також визначення загального споживання енергії энергоаудитору варто проаналізувати потоки енергії. Це можуть бути первинні (енергія на вході), вторинні (енергія на виході), або навіть третинні потоки енергії. Крім того, аналіз потоків енергії дає можливість за значенням легко обмірюваного параметра визначити значення параметра енергоспоживання, що важко вимірювати безпосередньо.

Потоки енергії в паровому казані

ппоказывает різні обмірювані потоки в котельні. На цьому прикладі простежимо, як можна використати виміряні потоки для визначення інших параметрів.

Відомо, що загальний обсяг холодної води підгодівлі дорівнює сумі обсягів води, що продувається з котла, і інших втрат системи (а саме, заплановані втрати, такий як системи упорскування пари, і неконтрольовані втрати, такі як викиди й джерела пари). Втрати із продувної можна легко оцінити за тиском котла, розміром і тривалістю продувки труб і, таким чином, визначити суму всіх інших втрат пари (конденсату). Цю величину можна зрівняти із запланованими й незапланованими втратами, щоб виявити область поліпшення. Ще один корисний показник ефективності - значення втрат пари як відсоток від загальної кількості виробленої пари.

Аналогічно, вимірюючи потік палива й кількість виробленої пари, можна визначити ефективність котла за певний проміжок часу. Порівнюючи цю величину з результатами тесту процесу спалювання палива, можна виявити невідповідність величин одна однієї чи використати кожний набір даних для перевірки точності інших величин. Якщо обидва розрахунки ефективності відповідають один одному, можна обчислити втрати поза процесом горіння, такі як втрати через випромінювання й конвекцію, втрати продувки й втрати коротких циклів.

Аналіз потоків енергії в теплообміннику

Принцип будови типового теплообмінника (калорифера) який використає тепло пари для нагрівання води, показаний на рис У цьому прикладі установка недорогого лічильника холодної води дає можливість вимірювати споживання води й енергії. Споживання води враховується лічильником безпосередньо, а енергоспоживання можна обчислити як добуток кількості води на теплоємність і на зміну температури (задана температура на виході мінус температура вхідної холодної води). Цей добуток відповідає кількості вилученого з пари тепла, рівного сумі поглиненого водою тепла й втрат тепла з поверхні теплообмінника.

Перейдемо тепер до розгляду, наприклад, аудита котельні (табл.3.12). Тут спожите паливо множать на теплотворну здатність, а вироблена кількість пари - на чисту энтальпию. Таким чином, одержуємо енергію палива й енергію пари в однакових одиницях енергії - у ГДж.

Оскільки парові казани не можуть досягати такої високої ефективності, як отримана в наведеному прикладі, це свідчить про помилку в аудиті. Деякі дані вимагають перевірки.

Таблиця 2.1.2.2 Паливно-енергетичний баланс парового котла

Загальна витрата палива (мазут)	1570420 кг
Теплотворна здатність палива	40,6 МДЖ/кг
Вцелом паливна енергія	63759 ГДж
Усього вироблено пари	25200 тон
Энтальпия пари	2730 кДж/кг
Энтальпия живильної води котла	293 кДж/кг
Вцілому енергія пари	61412 ГДж
Розрахункова ефективність (ККД)	96,3%

Баланс маси

Перехресна перевірка за балансом маси пари й конденсату може бути застосована до парового котла. На рис показані потоки пари й води, які можуть бути виміряні в системі парогенерации й утилізації.

Вироблена пара використається в теплообмінниках і пароинжекторах (впрыскивателях) виробничого встаткування й, крім того, частина пари випливає через різного роду нещільності паропроводів. Нехай аудитор визначив споживання пари теплообмінниками й інжекторними установками. Ці значення додаються й рівняються із загальною кількістю виробленої пари. Якщо ця сума виявляється більше загальної кількості виробленої пари, то стає очевидно, що принаймні одна із трьох величин обмірювана невірно.

Наступним кроком може бути перевірка точності лічильника пари. Для цього порівнюють покази лічильника пари з показами лічильника живильної води (якщо він наявний), або з величиною витрати палива, помноженим на виміряну ефективність горіння. Якщо ці перевірки показують, що лічильник пари працює точно, то перебільшеним виявилося споживання пари теплообмінниками й (або) пароинжекторами.

Наступний етап перехресної перевірки за балансом маси - порівняння кількості спожитого інжекторами кількості пари з кількістю свіжої живлющої води, приймаючи, що ця кількість обмірювана точно. Відомо, що кількість води підгодівля рівна кількості пари, спожитої інжекторами плюс продувка, джерела й миттєві втрати. Значення продувки котла визначити відносно просто, виходячи з тиску котла, діаметра труби продувки, тривалості й частоти продувки. Існують також способи підрахунку джерел пари й миттєві втрати пари, які можна використати після дослідження системи паророзподілу. За умови, що кількість спожитої пароинжекторами пари істотно перевищує задані вище втрати, вона може бути досить точно обчислена й тепер можна точно визначити споживання пари як теплообмінниками, так і пароинжекторами.

Ефективність систем перетворення енергії

Щоб досягти заощаджень у системі перетворення (генерування) енергії, необхідно знати відповідну технологію й сучасний кращий досвід подібних підприємств.

Номінальні паспортні дані використовуваного на об'єкті встаткування можуть бути взяті з документації, які зберігається на об'єкті, або від фірм-виготовлювачів цього встаткування.

Виміряні експлуатаційні показники варто зрівняти з паспортними або проектними показниками, з показниками попереднього періоду експлуатації встаткування й із кращими показниками, досягнутими на такім устаткуванні.

Як приклад, розглянемо можливі шляхи заощадження енергії за рахунок зменшення втрат енергії з вихлопними газами.

Ідеальне згоряння має місце, якщо в реакції беруть участь строго певних часток палива й кисню для утворення двоокису вуглецю й води без залишків неспаленного палива або невикористаного кисню. Цей процес відомий за назвою "згоряння з нульовим надлишком кисню" чи "стехиометрическое горіння".

За умови стехиометрического горіння досягається максимальна ефективність, оскільки все паливо повністю перетворюється в продукти згоряння, а кількість надлишкового повітря, що виносить тепло процесу спалювання, мінімальна. Зміст кисню за таких умов у топкових газах дорівнює нулю, а кількість двоокису вуглецю (СО₂) - максимальне.

Зі збільшенням кількості повітря, у топкових газах з'являється кисень, що не вступив у реакцію: це означає, що кількість палива недостатньо для використання всього кисню, що міститься в повітрі для горіння. Загальна вага газів, що виходять із пальника, зростає.

На практиці ідеальне згоряння досягається рідко й майже завжди потрібна певна частка надлишкового повітря. Контролюючи процес згоряння, можна досягти максимально можливої ефективності системи, що має місце за умови забезпечення мінімально необхідної для повного згоряння палива надлишкового повітря. Для цього необхідно досягти максимально можливого вмісту СО₂ і мінімально можливі вмісти СО₂ на виході з котла для одержання бездимних викидів з димаря й заданої швидкості згоряння.

Температура газів, що викидаються, повинна бути по можливості низкою, але не настільки, щоб наступила конденсація вологи з утворенням окислів сірки.

Графік на рис. показує, скільки енергії витрачається з вихлопними газами при певному рівні концентрації двоокису вуглецю (або при відповідному рівні кисню) і температури топкових газів у випадку спалювання природного газу. Щоб визначити необхідні параметри варто знайти крапку на кривого двоокису вуглецю, що відповідає об'ємній частці сухого топкового газу. Потім проводять вертикальну лінію, що перетинає криві, що відповідає певним температурам топкових газів. Із крапки перетинання вертикальної лінії з потрібної кривої температури газу проводять горизонтальну лінію до перетинання з віссю втрат енергії в топкових газах і зчитують частку втрат. Аналогічні графіки існують для спалювання вугілля й нафти.

Для невисоких температур топкових газів (100°С) із графіка видно, що між 0% і 100% надлишкового повітря втрати в топкових газах зростають із 13% до 16%. За вищих температур (300°С) різниця стає більше помітної, від 22% до 30%.

Тепер розглянемо приклад підвищення ефективності спалювання палива в казані.

Внаслідок проведеного тесту ефективності спалювання палива в казані встановлено, що середній коефіцієнт ефективності (ККД) становить 79%. Казан має ручну систему продувки, що дуже неощадлива, оскільки втрати тепла на продувку за грубою оцінкою становлять 1% від загальної кількості енергії палива, спожитої казаном.

У ході проведення аудита котельної установки визначені такі величини:

• вхідна енергія палива 62000 ГДж (100%),

• енергія втрат з вихлопними тазами 13020 ГДж (21%)

• перетворена в казані енергія палива 48980 ГДж (79%) а також

• теплові втрати через обшивання котла 700 ГДж

• теплові втрати через продувку 500 ГДж

• корисне тепло для паротворення 47780 ГДж.

Усього 48980 ГДж

З метою економії енергії запропоновано встановити в котельні систему автоматичної підтримки оптимального співвідношення газ - повітря й систему автоматичної продувки. По попередній оцінці перший захід підвищить ефективність спалювання палива в середньому до 83%, а другий - скоротить продувку на 50% від її нинішнього рівня.

Потрібно визначити величину щорічних заощаджень енергії, згорнувши увагу також на супровідні обставини впровадження рекомендацій.

Скорочення рівня продувки дозволить заощадити 50% від нинішніх втрат енергії на неї, тобто 0,5·500 ГДж = 250 ГДж.

Звідси потрібна перетворена в казані енергія палива становить 48980-250=48730 (ГДж).

З підвищенням середньої ефективності до 83% кількість енергії палива для одержання згаданої кількості перетвореної енергії становить 48730/0,83=58711 (ГДж).

Щорічні заощадження паливної енергії: 62000-58711=3289 (ГДж).

Але впровадження згаданих заходів вимагає капітальних вкладень і амортизаційних відрахувань на системи автоматичного керування. Крім того, збільшаться витрати на технічне обслуговування систем автоматичного керування, хоча автоматизація може дозволити скоротити інший обслуговуючий персонал. І, зрештою, можна скоротити витрати на очищення води.

Ефект заміни палива.Заміна одного джерела палива іншим звичайно відбувається в тих випадках, якщо їсти можливість придбати інше паливо за нижчою ціною на одиницю вмісту енергії. Фінансовий розрахунок заощаджень повинен ураховувати також можливість зміни витрат на ремонт оснащення. Крім того, заміна палива може змінити коефіцієнти перетворення. Проілюструємо сказане прикладом.

Паровий казан працює на газойле й споживає 1033 тон палива для виготовлення технологічної пари. Загальний ККД котла становит 82%. З метою заощадження засобу рекомендований перенести казан на природний газ. Оскільки природний газ має нижчий рівень теплопередачі полум'я, чим газойль. загальний ККД знижується з 82% до 80% (вища теплотворна здатність), однак, передбачається, що низька вартість природного газу компенсує цей технічний недолік.

Потрібно визначити величину заощадження енергії й заощадження засобів за рахунок заміни палива.

Теплотворна здатність газойля 42,3 МДж/кг, ціна 1,47 грн/кг. Природного газу відповідно 40,5 МДж/м³ і 0,88 грн/м³.

Показники наявного стану.

Тепло згоряння газойля:

1033000 кг·42,3 Мдж/кг = 43695900 Мдж = 43695,9 ГДж.

Річні витрати на газойль: 1033000 кг·1,47 грн/кг = 1518510грн

Річне генерування тепла: 43695,9·0.82 = 35831 ГДж

Показники майбутньої ситуації:

Річна льоху тепла 35831 ГДж

Річне споживання природного газу: 15831/0.8 = 44788 (ГДж)

Річні витрати на природний газ:

44788 ГДж відповідають 1105876 м³ газу, що при ціні 0,88 грн/м³ дає 973171 гри.

Обсяги заощаджень:

енергії палива 43696 ГДж · 44788 ГДж =-1092 ГДж;

засобів 1518510 грн - 979171 грн = 545340 грн.

Розглядаючи варіант зміни палива, варто ще врахувати зміну витрат на технічне обслуговування котла, можлива зміна очікуваного терміну служби котла й майбутнє зміна вартості палива. Варто мати на увазі, що, можливо, під нове паливо потрібно буде замінити пальника котла. Ще одне питання - це утилізація непотрібного тепер резервуара для збереження газойля.

Рекуперація тепла.Якщо потоки енергії вилучаються з регенеративних систем або виводяться як побічний продукт систем перетворення енергії (низькотемпературне тепло в системі комбінованого виробництва теплової й електричної енергії), то економія в цих энергопотоках не обов'язково приводить до заощаджень первинної енергії. Наприклад, якщо гаряче водопостачання здійснюється системою комбінованого виробництва тепловий і електроенергії, що в іншому випадку викинула б це тепло в атмосферу, то економія гарячої води не заощаджує палива, на якому працює комбінована система. Навпаки, якщо низькотемпературне тепло в системі комбінованого виробництва покриває лише частково потреби опалення, а залишок забезпечує електричне опалення, то заощадження гарячої води негативно вплине на заощадження електроенергії.

Оцінка споживання енергії паронагрівальним устаткуванням

Для великих споживачів технологічної пари обсяг споживання визначаться шляхом прямих вимірів або аналізом энергопотоков. Але для невеликих споживачів єдиним шляхом визначення кількості спожитої енергії є оцінка споживання.

Прикладами паронагрівального встаткування може бути оснащення підприємств громадського харчування (варочний казани, пароварильные апарати), устаткування пралень (пральні машини, сушильні камери), устаткування із процесами нагнітання пари (автоклавные стерилізатори, каустичні резервуари), оснащення зі среднетемпературными процесами (кубові барвники, текстильне сушіння, виробництво паперу).

Приклад оцінки енергоспоживання паронагрівальним устаткуванням наведений у табл. 2.1.2.3

Таблиця 2.1.2.3 Оцінка енергоспоживання паронагрівальним устаткуванням

Устаткування споживаючих пар	Норма споживання пари, кг/ч	Тривалість роботи протягом року, год.	Годовое споживання енергії, ГДж·
Пральна відцентрова машина	10	1040	24,22
Тунельна пральна машина	2·9	1040	43,60
Автоклави	400·4	780	3283,24
Пастеризаційні ванни	30·2	2340	326,99
Сублимационная установка 1	150	156	54,50
Сублимационная установка 2	100	156	36,33
Сублимационная установка 3	150	156	54,50
Автоклави (мікро)	2·250	420	683,80
Этаноловый колектор	2·40	4992	1050,32
Усього	2668		5556,50

Примітки:

Під час обчислення витрат енергії не враховані втрати в казані. При середній ефективності котла 82,1%, валове енергоспоживання становить 6767,97 ГДж.

Врахований той факт, що це оснащення не повертає конденсат.

Зупинимося на обставинах, які варто враховувати під час визначення енергоспоживання паронагрівальним устаткуванням.

Норма споживання пари.Норма споживання пари звичайно зазначена на інформаційній табличці (шильде) устаткування. Норма споживання задається щодо певного тиску пари. Відхилення тиску пари від нормованого значення повинне бути враховане.

Коефіцієнт середнього навантаження.Цей коефіцієнт ураховує як періоди нагрівання (якщо встаткування працює на повну потужність), так і періоди підтримки температури (устаткування працює з 30% потужністю). Отже, устаткування, що працює в режимі короткочасних циклів, може мати більший коефіцієнт середнього завантаження, чим устаткування, що працює на одному рівні протягом тривалого періоду часу. Деяке парове й вальне встаткування має лише ручне керування, а, отже, має постійну норму споживання пари.

Тривалість роботи встаткування протягом року.Оцінка цієї величини часто є проблематичної. Найкращий метод оцінки годин роботи оснащення - опитування операторів.

Оцінка споживання енергії газонагревательным устаткуванням

У випадку високотемпературних процесів кількість спожитого газу звичайно вимірюють лічильниками, або обсяг споживання може бути отриманий з аналізу потоків. Однак для невеликих споживачів кількість спожитого газу може бути визначене за способом оцінки споживання.

Прикладами типового невеликого газонагревательного оснащення може бути встаткування підприємств громадського харчування (газові печі), устаткування пралень (сушильні камери), устаткування среднетемпературных процесів (стентори, циліндри Янки), устаткування високотемпературних процесів (топкові камери).

У табл. 2.1.2.4 наведений приклад оцінки споживання газу газонагревательным устаткуванням.

Таблиця 2.1.2.4 Оцінка споживання енергії газонагревательным устаткуванням

Газопотребляющее встаткування	Норма споживання, м3/годин	Тривалість роботи протягом року, ч.	Годовое споживання енергії, ГДж·
			м3	ГДж
Варочний казани	4·2,17	1825·0,3	4752,5	184,85
Опалювальна піч 1	1,57	-	-	-
Опалювальна піч 2	2,63	-	-	-
Опалювальна піч 3	3,44	3285·0,4	3285·0,4	176,07
Подвійний вулканізований цукровий апарат	2,00	2920·0,7	4102,1	159,59
Жаровня	0,68	73·10	49,5	1,93
Цукровий апарат	2·2,17	1095·0,8	3801,8	147,88
Разом	23,34		17231,4	670,32

Під час оцінювання споживання енергії газонагревательным устаткуванням варто враховувати наведені нижче міркування.

Норма споживання газу. Норма споживання газу звичайно буває зазначеної на інформаційній табличці (шильде) устаткування. Часто подають інтервал значень (наприклад 1,02 - 1,1 м³/година), чим ураховують нормальні відхилення теплотворної здатності газу.

Коефіцієнт середнього завантаження.У цьому показнику враховують періоди нагрівання (якщо оснащення працює на повну потужність) і періоди підтримки температури (якщо встаткування працює приблизно з 30% потужністю) Отже, оснащення, що працює в режимі короткочасних циклів, може мати вищий коефіцієнт завантаження, чим оснащення, що працює на одному рівні навантаження протягом тривалого часу.

Тривалість роботи встаткування в плині року.Оцінка цього показника часто є проблематичної. Найкращий спосіб визначення тривалості роботи оснащення - досвід операторів.

Контрольні запитання

1. Назвіть типи пристроїв для спалювання палива.

2. Які недоліки та переваги мазутних форсунок різних типів?

3. Які типи пальників використовуються для спалювання природного газу?

4. Які типи пальників використовуються для спалювання твердого палива в факельних топках?

5. Які основні причини зниження енергетичної ефективності пристроїв для спалювання палива?

6. Як оцінити ефективність роботи пристроїв для спалювання палива?

7. Як оцінити втрати теплоти від хімічної неповноти згорання палива?

8. Як визначити коефіцієнт надлишку повітря?

9. Назвіть причини зниження коефіцієнта використання палива.

10. Дайте перелік основних енергозаощаджуючих заходів, які можна рекомендувати при проведенні енергетичного аудиту пристроїв для спалювання палива.

11. Дайте загальну характеристику паровиробних установок і котлів, що застосовуються в Україні.

12. Яка мета оцінки енергетичної ефективності котельних установок?

13. Які величини підлягають вимірюванню при проведенні енергетичного аудиту котельних установок?

14. Які втрати теплоти існують в котельних установках? Яка з них основна?

15. Як складається тепловий баланс котельної установки при роботі на мазуті та природному газі?

16. Що таке прямий і зворотний теплові баланси?

17. Який зв'язок між вищою та нижчою теплотою згорання палива?

18. Як впливає неповне навантаження на енергетичну ефективність котла?

19. Наведіть перелік основних енергозаощаджуючих заходів, які можна рекомендувати при проведенні енергетичного аудиту котлів.

20. Наведіть перелік основних заходів щодо підвищення ефективності допоміжного обладнання.

21. Дайте загальну характеристику енергетичної ефективності печей.

22. Які складові втрат теплоти з печей в навколишнє середовище?

23. Як розраховуються втрати теплоти в навколишнє середовище для нагрівальних печей усіх типів, крім конвеєрних?

24. Як розраховуються втрати теплоти в навколишнє середовище для термічних печей, в тому числі і конвеєрних нагрівальних?

25. Чому ККД печей зручніше визначати за зворотним тепловим балансом?

26. Наведіть перелік енергозаощаджуючих заходів в печах, які не потребують великих капітальних витрат.

27. Наведіть перелік можливих заходів щодо економії енергії, які потребують деяких капітальних витрат.

28. Що дає рекуперація теплоти в печах?

29. Як розрахувати економію палива за рахунок впровадження рекупераціїтеплоти?

30. Яка величина коефіцієнта використання палива при встановлені за піччюрекуператора або регенератора?

Лекція 3