Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оценка энергетической эффективности теплотехнологических установок промышленных предприятий. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К а ф е д р а «Промышленная теплоэнергетика»
Д.И. ПАЩЕНКО
ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК ПРОМЫШЛЕННЫХ
ПРЕДПРИЯТИЙ
Учебное пособие
Самара
Самарский государственный технический университет
2015
1
Печатается по решению редакционно-издательского совета Самарского
государственного технического университета
УДК 621.1(075.8)
ББК 31.391я73
П 12
Пащенко Д.И.
П 12 Оценка энергетической эффективности теплотехнологических уста-
новок промышленных предприятий: учеб. пособие / Д.И. Пащенко – Самара:
Самар. гос. техн. ун-т, 2015. – 139 с.: ил.
Рассмотрены основные проблемы, возникающие при создании безотходных или малоотходных теплотехнологических систем и комплексов, и пути их
решения. Приведены методики расчета с необходимой справочной информацией оценки энергетической эффективности различных теплотехнологических
установок.
Для студентов высших технических учебных заведений, инженеровтеплотехников, теплоэнергетиков и технологов различных отраслей промышленности, занимающихся эксплуатацией, наладкой, внедрением и разработкой
различных теплотехнологических комплексов и установок.
Р е ц е н з е н т д.т.н., проф. А.И. Щёлоков
УДК 621.1(075.8)
ББК 31.391я73
П 12
Д.И. Пащенко, 2015
Самарский государственный
технический университет, 2015
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 140100 – «Теплоэнергетика и теплотехника»,
профили подготовки «Промышленная теплоэнергетика» и «Энергетика
теплотехнологий» (дисциплины «Теплотехнологические комплексы и
безотходные системы», «Основы трансформации теплоты»), а также по
направлению магистерской подготовки 13.04.01 (140100.68) «Теплоэнергетика и теплотехника» (дисциплины «Современные проблемы
энерго- и ресурсосбережения в теплоэнергетике, теплотехнике и теплотехнологиях» и «Проблемы энерго- и ресурсосбережения в теплоэнергетике, теплотехнике и теплотехнологиях»). Учебная дисциплина «Теплотехнологические комплексы и безотходные системы» является необходимой для получения знаний и навыков по комплексному подходу к
созданию теплотехнологических безотходных или малоотходных систем для студентов, обучающихся по профилю подготовки «Энергетика
тепловых технологий» (направление подготовки 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника»). Учебная дисциплина «Основы трансформации
теплоты» является одной из основополагающих для студентов, обучающихся по профилю подготовки «Промышленная теплоэнергетика»
(направление подготовки 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника»).
Для студентов-магистрантов данное учебное пособие будет полезно для
выполнения итоговой научно-исследовательской работы при оценке
эффективности разработанных теплотехнологических и теплоэнергетических схем.
Учебное пособие написано с учетом последних современных
научно-технических разработок в области повышения энергоэффективности, энерго- и ресурсосбережения, в том числе и с учетом разработок кафедры «Промышленная теплоэнергетика» Самарского государственного технического университета. Особое внимание уделено
вопросам полезного использования тепловых отходов теплотехнологических установок, систем и комплексов. Рассмотрены перспективные способы регенерации теплоты: термохимическая регенерация
3
теплоты отходящих дымовых газов за счет паровой конверсии метана
и термохимическая регенерация теплоты отходящих дымовых газов
за счет конверсии метана продуктами его полного сгорания.
Настоящее учебное пособие позволяет студентам овладеть знаниями для разработки и создания энергоресурсосберегающих и экологически совершенных теплотехнологических установок, систем и
комплексов; для разработки и обеспечения оптимальных режимов
эксплуатации действующего теплотехнологического оборудования;
оценки энергетической эффективности теплотехнологичеких и теплоэнергетических систем и установок промышленных предприятий,
имеющих в своем составе высоко-, средне- и низкотемпературные
теплотехнологические и теплоэнергетические установки.
Для подготовки учебного пособия использовались научнотехнические труды (монографии, справочники, учебные пособия и
т.д.) крупнейших отечественных специалистов в области энергетики
теплотехнологий и теплоэнергетики: А.Д. Ключникова, О.Л. Данилова, В.А. Григорьева, В.А. Мунца, В.М. Зорина, А.А. Щукина,
П.Д. Лебедева, Н.А. Семененко и других авторов.
4
ВВЕДЕНИЕ
Среди важнейших проблем, поставленных наукой и практикой,
особое место занимает проблема энерго- и ресурсосбережения. Сбережение топлива, энергии, теплоты, минеральных и водных ресурсов
в экономике страны является важным направлением государственной
политики. По подсчетам экспертов потенциал повышения энергоэффективности в России оценивается около 40 %. Высокая удельная
энергоемкость российской экономики обусловила появление государственных программ по энергосбережению и повышению энергоэффективности. В соответствии с Указом Президента Российской Федерации от 4 июня 2008 года №889 «О некоторых мерах по повышению
энергетической и экологической эффективности российской экономики»: необходимо осуществить снижение к 2020 году энергоёмкость
валового внутреннего продукта Российской Федерации не менее чем
на 40 % по сравнению с 2007 годом, а также обеспечить рациональное использование энергии и ресурсов.
Главные направления и важнейшие мероприятия по развитию топливно-энергетического комплекса страны и повышению эффективности использования топливно-энергетических, минеральных и водных
ресурсов нашли конкретное отражение в Энергетической стратегии
России до 2030, которая была утверждена распоряжением Правительства Российской Федерации 13 ноября 2009 года. Согласно Энергетической стратегии России до 2030 года целью энергетической политики
России является максимально эффективное использование природных
энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора для
устойчивого роста экономики, повышения качества жизни населения
страны и содействия укреплению ее внешнеэкономических позиций.
В соответствии со сказанным энергосберегающая политика приобретает особое значение для отраслей промышленного производства, основанных на теплотехнологии, во многих случаях характеризуемых большой энерго- и ресурсоемкостью и относительно низким
уровнем полезного использования топливно-энергетических, минеральных и водных ресурсов. К числу энергоресурсоемких производств, основанных на теплотехнологии, можно отнести теплотехно-
5
логические комплексы производства чугуна и стали, строительных
материалов и нефтепродуктов, цветных металлов, многих продуктов
химии, целлюлозно-бумажной промышленности и др.
Важность проблемы энерго- и ресурсосбережения усиливается
особо крупными резервами экономии топлива, теплоты, энергии, минеральных и водных ресурсов и возможностью их практической реализации. Направления, методы, способы реализации этих возможностей и путей повышения эффективности использования различных
видов ресурсов должны быть основаны на создании безотходных или
малоотходных теплотехнологических систем и комплексов.
Ознакомление широкого круга энергетиков с проблемами и задачами теплотехнологических комплексов, их предметным содержанием
и научно-методическими основами, направлениями решения на их базе
задач реализации энергосберегающих тепловых схем и оборудования
будет способствовать более эффективному решению проблем энергосбережения и ускорению научно-технического прогресса отраслей
промышленного производства, основанных на теплотехнологии.
Известно, что расчет и выбор любого оборудования или установки производится по определенному набору исходных данных, зависящих от места данного устройства в технологической схеме и его
технологических функций.
Исходные данные включают, как правило, ряд качественных и параметрических показателей входящих материальных потоков и требуемые результаты их обработки. По этим данным нельзя однозначно определить все необходимые размеры и характеристики аппаратов, а также
промежуточные показатели материальных потоков. Так, при проектировании теплообменных аппаратов для определения коэффициентов теплоотдачи понадобится задать скорости потоков, а, следовательно, принять площади проходных сечений или определяющих их размеры. При
проектировании ректификационной колонны, кроме задания типа контактного устройства, необходимо выбрать коэффициент расхода флегмы, температурные уровни материальных потоков и так далее.
Таким образом, чтобы свести расчет аппаратов или установки к
известному алгоритму, необходимо к величинам и требованиям проектного задания добавить ряд других, значения которых могут быть
6
выбраны конструктором в известной степени произвольно. Иногда
даже опытному проектировщику необходимо сделать несколько вариантов расчета, чтобы получить приемлемые значения скоростей,
температур потоков, приемлемые пропорции аппаратов и так далее.
Однако даже в этом случае окончательный проектный вариант во
многом носит субъективный характер, зависящий от опыта и интуиции конструктора. Положение существенно меняется, если задачу
проектирования теплообменного аппарата или установки сформулировать как задачу оптимизации. При этом все показатели проектируемой установки выражаются посредством одной величины – критерия
оптимальности, по которой отдается предпочтение одним вариантам
перед другими. При оптимизации расчет направлен на поиск такого
варианта из числа допустимых, для которого критерий оптимальности имеет экстремальное значение (наибольшее или наименьшее в зависимости от содержания критерия). Преимущество оптимизации
проявляется, таким образом, в том, что это – строго осознанный метод выбора варианта, свободный от интуитивных представлений.
Особенность деятельности энергетиков промышленных предприятий состоит в особом внимании к вопросам энергоиспользования как
технологических установок соответствующего профиля, так и внутрипроизводственных систем для получения и распределения так называемых конечных энергоносителей, пригодных для непосредственного использования в технологических процессах. Таким образом, энергоэффективность производства является одним из важнейших показателей
функционирования инженерно – технического персонала предприятия.
Не менее актуальна задача повышения энергоэффективности и в
процессе проектирования новых производств. Разница состоит только в
существенном увеличении числа влияющих факторов. Особенно это
касается технологических процессов, организованных по принципам
энерготехнологического комбинирования. В связи с указанным при
анализе используемых в инженерной и исследовательской практике показателей (критериев) для сопоставления и оптимизации теплотехнологических и теплоэнергетических установок особое внимание уделяется
тем из них, в которых подчеркивается энергетическая эффективность.
7
Глава 1. КРИТЕРИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
1
1
mn,
mn≠
ПРОЦЕССОВ И УСТАНОВОК
Современные теплотехнологические и теплоэнергетические
установки предприятий характеризуются большим разнообразием
видов используемого основного сырья и вспомогательных материалов, потреблением значительных количеств различных энергоносителей. Одновременно в процессах технологического производства
имеют место отходящие материальные потоки различного состава и
теплового потенциала, создающие условия для организации получения вторичных энергоносителей (вторичных энергоресурсов – ВЭР).
Такое многообразие процессов требует особого подхода к анализу
теплотехнологических и теплоэнергетических установок, позволяющему объективно оценить все сложные превращения потоков вещества и энергии.
В настоящее время оценка использования сырьевых и вспомогательных материалов, энергоносителей в промышленных установках
производится чаще всего на основе уравнений материального и энергетического (теплового) балансов. Уравнение материального баланса,
основанное на законе сохранения массы, позволяет численно определить материальные входящие и выходящие потоки установки. При
этом для стационарных промышленных устройств уравнение материального баланса имеет вид:
n m
где
GG ,
выхjвхi
установки,
∑ ∑
– потоки вещества на входе в установку и на выходе из
скг
;
=
GG
, (1.1)
выхjвхi
– общее число потоков вещества на входе и выходе, при
этом
.
Такое выражение материального баланса имеет смысл в случае
представления понятия «установка» в виде отдельного аппарата или
устройства. При наличии в составе установки нескольких устройств
8
(особенно с законченными физико-химическими процессами) при со-
11121
=
+
2
1
им
η
η
им
η
ставлении материальных и энергетических (тепловых) балансов возникает необходимость в замене этого понятия понятием «система».
Под технической системой понимается совокупность элементов, прямо или косвенно участвующих в реализации процесса и определенным образом взаимодействующих между собой и с окружающей средой. При этом под окружающей средой понимаются все объекты за
пределами системы, которые воспринимают или выдают материальные (энергетические) потоки на выходе или входе системы. Объем
системы по количеству включенных элементов может быть различным в зависимости от задачи анализа.
Материальные потоки на выходе из установки (системы) могут
быть разделены по направлениям их использования объектами окружающей среды:
m m
j
пол
вых
+=
j
пот
GGG
вых
при
j
mmm
, (1.2)
скг
;
скг
.
где
G
m
пол
– материальные потоки полезные,
выхj
пот
G
– потери материальных потоков,
выхj
∑ ∑ ∑
вых
Материальные потоки на выходе из системы группы «потери»
воспринимаются объектами окружающей среды для рассеивания в
природной окружающей среде (литосфера, гидросфера, атмосфера)
непосредственно или при технологически необходимой обработке
для утилизации отдельных компонентов с полезными материальными
потоками системы.
На основании уравнения (1.2) может быть получено выражение
для коэффициента полезного использования сырья и материалов
m
1
пол
G
∑
выхj
им
1
n
∑
1
G
вхi
m
2
пот
G
∑
выхj
1
−==
1
n
G
∑
1
. (1.3)
вхi
:
В ряде случаев технических систем
=1 (так называемые безот-
ходные системы). Создание безотходных технических систем связа-
9
но, как правило, с увеличением числа структурных единиц системы
им
η
γ
вых
вх
1'1
за счет включения дополнительных элементов для подготовки выходящих материальных потоков группы «потери» (1.2) для использования в основном технологическом процессе или для получения новых
полезных продуктов.
Коэффициент полезного использования сырья и материалов
может быть использован в виде (1.3) или в модифицированных выра-
жениях в качестве показателя (критерия) сопоставления и оптимизации теплотехнологических систем. Такое решение может быть принято для производств, в которых затраты на сырье и вспомогательные
материалы решающим образом определяют себестоимость выпускаемой продукции. В других случаях результаты расчета материального
баланса могут явиться показателем безотходности теплотехнологической системы или использоваться в сочетании с другими показателями при оптимизации по нескольким критериям. В теплотехнологических системах химического профиля таким образом может быть решена задача оптимизации реакторных устройств. Расчет материального баланса вместе с тем является обязательным элементом подготовки к расчету показателей энергетической эффективности.
Уравнение энергетического (теплового) баланса, основанное на
законе сохранения и превращения энергии, фиксирует потоки энергии, подведенные к анализируемой технической системе, и отведенные от нее. В наиболее общем случае такое уравнение будет
иметь вид:
m
вхiвх
'
'
выхiвых
р
нjвхj
'
m
1
'
вх
∑∑∑
фмк
111
р
нjвыхj
QQQBQN
=±+⋅++
эф
'
γ
вых
∑∑∑
фмк
1
, (1.4)
QQQBQN
++⋅++=
5
где
n
n
1
NN ,
– подведенная и отведенная электрическая энергия, кВт;
'
вхi
n
,
QQ
∑∑
– подведенная и отведенная тепловая энергия в ви-
выхi
n
де энергоносителей соответствующего фазового состояния и потенциала, кВт;
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]