Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. Учебное пособие.pdf
- 1 кВт⋅ч = 3,6⋅106 Дж = 860 ккал;
,Q
н
Q
n
QH
T
Q
c
Q ∆++=
∆±±
H∆
Q∆
- 1000 кВт⋅ч = 0,86 Гкал;
6
- 1 т.у.т. = 7⋅10
- 1 т.н.э. ≅ 10
3
природного газа = 9,56⋅106 ккал;
- 1 м
- т.н.э. − тонна нефтяного эквивалента;
- 1000 м
3
ккал;
7
ккал;
газа = 1,37 т.у.т. = 0,956 т.н.э.;
- 1 кВт⋅ч = 3122 у.т.;
- 1 мВт⋅ч = 0,086 т.н.э.;
3
нефти = 0,86 т нефти = 42 ГДж;
- 1 м
- 1 нефтяной баррель = 159 л;
- 1 кДж = 0,9478 БТЕ (британская тепловая единица);
- 1 Вт = 3,412 БТЕ/ч
2
;
- 1 МТЕ = 1,8 БТЕ = 0,453 ккал (международная тепловая
единица).
Энергетический баланс составляют, исходя из данных
материального баланса, химического состава всех материальных потоков
и их температурного уровня. Эффективность энергоиспользования
определяется величиной энергетического КПД (отношение полезно
затраченной энергии в технологическом процессе к ее общему расходу).
На первой стадии проектирования данных для расчета полного
энергетического баланса обычно недостаточно, поэтому
предварительно составляется тепловой баланс:
где Q
твердое сырье);
отводимая хладагентом;
мических реакций;
периодичных и нестационарных процессов
− физическая теплота потоков сырья (газ, жидкость,
c
Q
− физическая теплота, вносимая теплоносителем либо
Т
−
тепловые эффекты экзотермических либо эндотер-
Q
− физическая теплота продуктовых потоков;
n
− теплота, расходуемая на нагрев установки;
Q
н
− потери в окружающую среду.
Для стационарных и непрерывных процессов Q
Q
= М ⋅ с ⋅ ∆t,
н
51
= 0. Для
н
где M − масса аппарата;
.H
c
QQ
н
Q
п
Q
∆±−∆++=
( ) ( )
,
дэ
вых
п
вых
T
вх
п
вх
T
ЕЕАЕЕЕE −=++−+
( ) ( )
( )
,
1
00
0
0 поткин
n
i
in
ЕENSSTHHE ++−+−−−=
∑
=
µµ
µ
µ
c − теплоемкость конструкционного материала, из которого
изготовлен аппарат.
Искомой в тепловом балансе является величина ±Q
:
Т
Величина Q
Q
Т
необходима для определения массового расхода
Т
теплоносителя.
Для греющего пара:
М = Q
Т
/ r,
где r − удельная теплота парообразования.
Для дымовых газов:
где Q
В = Q
− низшая теплотворная способность топлива.
н
/ Qн,
Т
Эксергетический баланс и анализ
Так как закона сохранения эксергии не существует, то
эксергетический баланс сводится искусственно, при этом
учитываются в нем внутренние потери эксергии. Уравнение
эксергетического баланса:
где Е
− эксергия потока теплоты;
Т
Е
− эксергия материального потока;
n
А − механическая либо электрическая работа, совершаемая
системой;
Е
− приращение эксергии в системе;
э
Е
− необратимые потери эксергии.
д
Эксергию материальных потоков можно рассчитать сле-
дующим образом:
где
− химический потенциал:
= h − Ts;
52
среды.
S∆
N
− количество молей i-го компонента;
i
− кинетическая энергия материального потока;
Е
кин
− потенциальная энергия материального потока.
Е
пот
Функции с индексом «0» относятся к условиям окружающей
Эксергия потока теплоты:
ЕТ = Q(1 – T
o
/ T).
Необратимые потери эксергии:
где
Ед = Т
− изменение энтропии вследствие протекания в системе
∆
S,
о
необратимых процессов.
Эксергетические потери бывают внешними и внутренними.
Внешние потери возникают из-за несоответствия между про-
цессом в целом и внешними условиями его проведения, а также из-за
несоответствия между отдельными элементами системы, связанными
в единую технологическую цепочку (потери через изоляцию, потери с
побочными продуктами, покидающими установку без использования
их эксергии, такими как дымовые газы, нагретая в теплообменниках
вода и т.д.).
Внутренние потери связаны с необратимостью процессов
внутри системы (химические реакции, дросселирование,
гидравлическое сопротивление, трение, тепломассообмен при
конечных разностях температур и концентраций, несовершенство
аппаратов, машин и процессов в их отдельных элементах).
Часть Е
, связанная с необратимостью, органически присуща
д
конкретному процессу, не может быть устранена либо снижена без
радикального его изменения или замены другим.
Другая часть Е
зависит от несовершенства оборудования:
д
плохая теплоизоляция, трение, теплообмен при конечной разности
температур (технические потери). Эту часть Е
можно уменьшить без
д
изменения схемы процесса.
Энергетический баланс предприятия
ГОСТ 27322-87 «Энергобаланс промышленного предприятия»
устанавливает общие требования к разработке и анализу
энергобалансов промышленных предприятий.
53
Задачи энергобаланса следуюшие:
1. Оценка фактического состояния энергоиспользования на
предприятии, выявление причин возникновения и определение
значений потерь ТЭР.
2. Разработка плана мероприятий, направленных на снижение
потерь ТЭР.
3. Выявление и оценка резервов экономии топлива и энергии.
4. Совершенствование нормирования и разработка научно-
обоснованных норм расхода топлива и энергии на производство
продукции.
5. Определение рациональных объемов энергетического
потребления в производственных процессах и установках.
6. Определение требований к организации и совершенст-
вованию учета и контроля расхода энергоносителей.
7. Получение исходной информации для создания нового
оборудования, совершенствования технологических процессов с
целью улучшения структуры энергобаланса путем оптимизации
направлений, способов и объемов использования подведенных и
вторичных энергоресурсов.
Классификация энергобалансов:
1) по времени разработки:
- проектный (составляется во время разработки проекта);
- плановый (на ближайший планируемый период с учетом
сни-жения норм расхода энергии);
- отчетный (по данным за прошлый период);
- перспективный (на прогнозируемый период с учетом
коренных изменений в технологии);
2) по объектам энергопотребления: предприятие, производст-
во, цех, участок, агрегат, установка;
3) по целевому назначению: технологический; отопление и
вентиляция, освещение и т.д.
4) по совокупности энергопотоков:
- частный (по отдельным видам и параметрам энергоносителей);
- свободный (по суммарному потреблению ТЭР).
5) по способу разработки:
- опытный;
- расчетный;
- опытно-расчетный.
6) по форме составления:
54
- синтетический (показывает распределение подведенных и
произведенных энергоносителей внутри предприятия);
- аналитический (определяет глубину и характер использования
энергоносителей с разделением на полезный расход и потери энергии);
В частных энергобалансах количественное измерение энерго-
носителей производится в таких единицах, как Гкал, кВт⋅ч, т.у.т., в
свободных энергобалансах – в т.у.т.
Состав первичной информации по разработке и анализу
энергобалансов предприятия включает в себя:
1) общие сведения о предприятии;
2) проектные и отчетные данные по энергоиспользованию
(паспорт, энергопаспорт предприятия, технико-экономическое
обосно-вание (ТЭО), действующие формы статистической
отчетности);
3) технические и энергетические характеристики
технологических процессов и установок (материальный баланс;
расходы и параметры сырья, топлива, энергии и отходов;
конструктивные особенности и режимы работы установок);
4) технико-экономические характеристики энергоносителей
(стоимость, параметры энергоносителей, график годового и суточного
потребления энергоносителей).
Анализ энергобаланса
Направления анализа:
1) исследование структуры поступления и потребления ТЭР на
предприятии;
2) определение показателей эффективности энергоисполь-
зования;
3) расчет обобщенных показателей состояния энергетического
хозяйства;
4) исследование влияния качества энергоносителей на их
рациональное использование;
5) оптимизация структуры энергобаланса.
Показатели использования энергоресурсов
в энергопотребляющих установках
Степень использования ТЭР определяется величиной
энергетического КПД
55
%.100
⋅
=
подвед
полез
Э
Э
η
,
..
.
... п
Тмпр
э
ТрэпТТрд
ηηηηηη
⋅⋅⋅⋅=
,
1∑=
⋅
=
n
i
ii
N
ηη
QQQ
QQ
экзT
вэрn
∆++
+
=
η
Для любого многостадийного технологического процесса
можно записать
η
где
− энергетический КПД процесса добычи и транспорта
д.Тр.Т
топлива;
η
− КПД процесса производства энергоносителя;
п.э.
η
− КПД транспорта энергоносителя;
Тр.э
η
− КПД на привод механизмов;
пр.м
η
− КПД технологического процесса.
Т.п
Если в технологии используются несколько видов
теплоносителей (электроэнергия, пар, сжатый воздух), то для КПД
можно записать
где N
− доля данного i-го энергоносителя в общем энергобалансе.
i
Для КПД технологической установки в общем случае можно
записать
,
где Q
− полезно используемая теплота;
n
Q
− теплота вторичных энергоресурсов, потребляемая
вэр
данной установкой;
Q
− теплота, вносимая топливом;
Т
Q
− теплота экзотермической реакции;
экз
∆Q − теплота, подводимая другими энергоресурсами.
На повышение КПД влияет снижение потерь во всех
элементах энергоцепи (особенно при генерировании и использовании
энергии).
Важным направлением повышения КПД является регенерация
энергии и более полное использование ВЭР. Снижению КПД
способствует увеличение удельного веса электроэнергии в общем
56
энергопотреблении, так как выработка электроэнергии имеет низкий
затр
затр
экс
Е
ЕЕ ∆−
=
η
Тнид
ид
экс
ЕЕЕ
Е
∆+∆+
=
η
,идE
∆
идТидн
экс
EЕЕЕ ∆+∆∆+=1
1
η
m
m
ид
T
K
KЕ
Е
β
α
+=
∆
КПД.
В промышленности (химия, металлургия, энергетика) широко
распространены процессы и установки, в которых используются
одновременно несколько видов энергоносителей. В этом случае
необходимо учитывать качество этих видов энергоносителей, что
можно сделать методами эксергетического анализа. В реальных
необратимых процессах подведенная к установке энергия не теряется,
а лишь снижается ее пригодность к совершению работы из-за
безвозвратных потерь эксергии.
В самом общем виде эксергетический КПД выражается
следующим уравнением:
,
где Е
− затраченная в установке эксергия;
затр
∆
Е − потери эксергии в установке.
При использовании в технологическом процессе нескольких
видов энергоносителей и получении разнообразных видов продукции
можно записать следующее выражение для эксергетического КПД:
,
где Е
− эксергия, которая теряется при идеальной работе
ид
установки при максимально возможном КПД;
∆
Е
− неизбежные потери эксергии;
н
∆
Е
− технические потери.
Т
Разделив правую часть предыдущего уравнения на
получим
.
Зависимость КПД от величины капитальных затрат
определяется следующей формулой:
,
57
где
т,,
βα
K
VИ
Е
ИKИ
эк
экс
ид
о
⋅⋅++⋅=
η
λ
λ
1=
экс
η
min при, ЗЗКЕИЗ
н
→⋅∆+=
ид
н
тт
т
т
опт
экс
Е
ЕББ∆
+
⋅++
=
+++ 1
1
11
1
1
1
βα
η
+
⋅⋅
+∆
=
β
λ
ЗVЕ
Е
т
Б
ид
н
1
,0=
dK
dЗ
11+
=
т
опт
Б
К
α
− эмпирические коэффициенты, определяемые для
конкретной установки;
− капитальные затраты.
Аналитическая связь годовых эксплуатационных расходов с
капитальными затратами и эксергетическим КПД выражается
следующим образом:
,
где
− коэффициент, учитывающий часть условно-постоянных
эксплуатационных затрат (амортизационные отчисления, затраты на
текущий ремонт и т.д.);
И
− остальные составляющие условно-постоянных затрат;
о
Е
− минимальный расход энергоресурсов (при
ид
) на
единицу продукции;
− средние затраты на единицу расхода энергоресурсов;
И
эк
V − годовой объем выпускаемой продукции.
Оптимальное решение при прочих равных условиях
соответствует минимуму приведенных затрат:
.
Оптимальный эксергетический КПД установки
,
.
Оптимальные капитальные затраты – решение уравнения
.
58
Наряду с КПД важной характеристикой энергоиспользования
FtkQ ⋅∆⋅=
0→∆
t
является удельный расход энергоресурсов (тепловая энергия, топливо)
на единицу выпускаемой продукции.
Термоэкономический анализ
Термоэкономический анализ проводится после эксергети-
ческого анализа, так как технологическая система, кроме
энергетических, потребляет другие виды ресурсов (материальные,
фондовые, трудовые). Окончательная оценка эффективности
технологической системы требует учета всех видов затрат.
Рассмотрим, к примеру, теплообменник.
Существуют три правила при выборе организации
теплообмена в технологической системе (минимальная стоимость,
минимальная поверхность, максимальный теплообмен). Из уравнения
теплопередачи следует
,
т.е. для обеспечения максимального эксергетического КПД нужно,
чтобы
величины F, а следовательно, и стоимости оборудования и
капитальных затрат.
1. Энергетический и тепловой балансы.
2. Эксергетический баланс и анализ.
3. Энергетический баланс предприятия.
4. Показатели использования энергоресурсов в технологи-
ческих установках.
5. Термоэкономический анализ.
Глава IV. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ
В перерабатывающих отраслях промышленности современной
России весомую часть составляют высокотемпературные технологические установки (ВТУ), к которым относятся промышленные печи,
паровые и водогрейные котлы, высокотемпературные химические
, а это, в свою очередь, ведет к резкому возрастанию
Контрольные вопросы
ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ
59
реакторы. ВТУ широко используются в черной и цветной
Р
BQ
q
р
н
TT
=
.
металлургии, энергетике, производстве строительных материалов,
химической и пищевой промышленности, машиностроении и др.
В ВТУ протекает комплекс различных процессов – движение
газов и технологических материалов, горение топлива, кондуктивный,
конвективный и лучистый теплообмены, нагрев и/или плавление
технологических материалов (сырья, полупродуктов), их превращение в
результате протекания физико-химических процессов в товарные
технологические и энергетические продукты. Основными источниками
энергии в ВТУ являются органическое топливо, химически связанная
энергия технологического материала, электроэнергия и их комбинации.
В России в настоящее время насчитывается несколько сотен тысяч ВТУ,
которые потребляют около 60 % первичных ТЭР и определяют техникоэкономический уровень производства в целом.
Повышение эффективности использования топлива в ВТУ
Пути повышения эффективности использования топлива в
ВТУ:
1) уменьшение тепловых отходов в ВТУ;
2) регенерация тепловых отходов;
3) внешнее теплоиспользование отходов.
Потери теплоты с отходящими газами определяются их
энтальпией, зависящей от объема и температуры газов. Температура
отходящих газов зависит от температурного режима ВТУ,
оптимизация которого может привести к некоторому снижению
температуры отходящих газов. Уменьшение объема отходящих газов
достигается совершенствованием процесса сжигания топлива,
обеспечивающего полноту сгорания при минимальном избытке
воздуха. Использование кислорода резко снижает объем отходящих
газов, но при этом необходимо учитывать дополнительные затраты на
производство кислорода.
Эффективность использования топлива в ВТУ оценивается
удельным расходом топлива на единицу технологической продукции,
который может измеряться:
1) в единицах теплоты топлива (кДж/кг):
,
60