- •Краткое содержание
- •Предисловие
- •1. Статус настоящего документа
- •2. Мандат на подготовку настоящего документа
- •3. Значимые нормативно-правовые положения Директивы КПКЗ и определение НДТ
- •4. Цель настоящего документа
- •5. Источники информации
- •6. Как использовать настоящий документ
- •Область применения
- •1. Введение и определения
- •1.1. Введение
- •1.1.1. Энергия в промышленном секторе ЕС
- •1.1.2. Воздействия энергопотребления на окружающую среду и экономику
- •1.1.3. Вклад энергоэффективности в сокращение эффектов глобального потепления и повышение устойчивости
- •1.1.4. Энергоэффективность и Директива КПКЗ
- •1.1.5. Место энергоэффективности в системе комплексного предотвращения и контроля загрязнения
- •1.1.6. Экономические аспекты и вопросы воздействия на различные компоненты окружающей среды
- •1.2. Понятие энергии и законы термодинамики
- •1.2.1. Энергия, теплота, мощность и работа
- •1.2.2. Законы термодинамики
- •1.2.2.1. Первый закон термодинамики: сохранение энергии
- •1.2.2.2. Второй закон термодинамики: рост энтропии
- •1.2.2.3. Баланс эксергии: сочетание первого и второго законов
- •1.2.2.4. Диаграммы свойств
- •1.2.2.5. Дальнейшая информация
- •1.2.2.6. Необратимость и ее источники
- •1.3. Определения показателей энергоэффективности и повышения энергоэффективности
- •1.3.1. Вопросы энергоэффективности и ее оценки в Директиве IPPC
- •1.3.2. Эффективное и неэффективное использование энергии
- •1.3.3 Показатели энергоэффективности
- •1.3.4. Практическое применение показателей
- •1.3.5. Значимость систем и границ систем
- •1.3.6. Другие используемые термины
- •1.3.6.1. Первичная энергия, вторичная энергия и конечная энергия
- •1.3.6.2. Теплота сгорания топлива и КПД
- •1.3.6.3. Меры по повышению энергоэффективности на стороне производителя и стороне потребителя
- •1.4. Показатели энергоэффективности в промышленности
- •1.4.1. Введение: определение показателей и других параметров
- •1.4.2. Энергоэффективность производственных единиц
- •1.4.2.1. Пример 1. Простой случай
- •1.4.2.2. Пример 2. Типичный случай
- •1.4.3. Энергоэффективность предприятия
- •1.5. Вопросы, которые должны быть рассмотрены при определении показателей энергоэффективности
- •1.5.1. Определение границ системы
- •1.5.1.1.Выводы относительно систем и границ систем
- •1.5.2. Другие существенные вопросы, заслуживающие рассмотрения на уровне установки
- •1.5.2.1. Документирование используемых подходов к отчетности
- •1.5.2.2. Внутреннее производство и потребление энергии
- •1.5.2.3. Утилизация энергии отходов и газа, сжигаемого в факелах
- •1.5.2.4. Эффект масштаба (снижение УЭП с ростом объемов производства)
- •1.5.2.5. Изменения в производственных методах и характеристиках продукции
- •1.5.2.6. Интеграция энергосистем
- •1.5.2.7. Неэффективное использование энергии из соображений устойчивого развития и/или повышения энергоэффективности предприятия в целом
- •1.5.2.8. Отопление и охлаждение помещений
- •1.5.2.9. Региональные факторы
- •1.5.2.10. Явная теплота
- •1.5.2.11. Дальнейшие примеры
- •2. Технологии, которые следует рассматривать для обеспечения энергоэффективности на уровне установки
- •2.1. Системы менеджмента энергоэффективности (СМЭЭ)
- •2.2. Планирование и определение целей и задач
- •2.2.1. Постоянное улучшение экологической результативности и вопросы воздействия на различные компоненты окружающей среды
- •2.2.2. Системный подход к менеджменту энергоэффективности
- •2.3. Энергоэффективное проектирование (ЭЭП)
- •2.3.1. Выбор технологии производственного процесса
- •2.4. Повышение степени интеграции процессов
- •2.5. Обеспечение дальнейшего развития инициатив в области энергоэффективности и поддержание мотивации
- •2.6. Поддержание и повышение квалификации персонала
- •2.7. Информационный обмен
- •2.7.1. Диаграммы Сэнки
- •2.8. Эффективный контроль технологических процессов
- •2.8.1. Автоматизированные системы управления технологическими процессами
- •2.8.2. Менеджмент (контроль, обеспечение) качества
- •2.9. Техническое обслуживание
- •2.10. Мониторинг и измерения
- •2.10.1. Косвенные методы мониторинга
- •2.10.2. Оценки и расчеты
- •2.10.3. Учет потребления энергоресурсов и усовершенствованные системы учета
- •2.10.4. Снижение потери давления при измерении расходов в трубопроводах
- •2.11. Энергоаудиты и энергетическая диагностика
- •2.12. Пинч-анализ
- •2.13. Энтальпийный и эксергетический анализ
- •2.14. Термоэкономика
- •2.15. Энергетические модели
- •2.15.1. Энергетические модели, базы данных и балансы
- •2.15.2. Оптимизация использования энергоресурсов и управление ими на основе моделей
- •2.16. Сравнительный анализ
- •2.17. Прочие инструменты
- •3. Технологии, которые следует рассматривать для обеспечения энергоэффективности на уровне энергопотребляющих систем, процессов и видов деятельности
- •3.1. Сжигание
- •3.1.1. Снижение температуры дымовых газов
- •3.1.1.1. Установка подогревателя воздуха или воды
- •3.1.2. Рекуперативные и регенеративные горелки
- •3.1.3. Сокращение массового расхода дымовых газов за счет снижения избытка воздуха горения
- •3.1.4. Автоматизированное управление горелками
- •3.1.5. Выбор топлива
- •3.1.6. Кислородное сжигание
- •3.1.7. Сокращение потерь тепла при помощи теплоизоляции
- •3.1.8. Сокращение потерь тепла через отверстия печей
- •3.2. Паровые системы
- •3.2.1. Общие свойства пара
- •3.2.2. Обзор методов повышения энергоэффективности паровых систем
- •3.2.3. Дросселирование и использование турбодетандеров
- •3.2.4. Методы эксплуатации и управления технологическим процессом
- •3.2.5. Предварительный подогрев питательной воды (в т.ч. с помощью экономайзера)
- •3.2.6. Предотвращение образования и удаление накипи с поверхностей теплообмена
- •3.2.7. Оптимизация продувки котла
- •3.2.8. Оптимизация расхода пара в деаэраторе
- •3.2.9. Оптимизация работы котла короткими циклами
- •3.2.10. Оптимизация парораспределительных систем
- •3.2.11. Теплоизоляция паропроводов и конденсатопроводов
- •3.2.11.1. Использование съемных панелей для теплоизоляции клапанов и фитингов
- •3.2.12. Реализация программы контроля состояния конденсатоотводчиков и их ремонта
- •3.2.13. Сбор и возврат конденсата в котел
- •3.2.14. Использование самоиспарения
- •3.2.15. Утилизация энергии продувочной воды котла
- •3.3. Утилизация тепла и охлаждение
- •3.3.1. Теплообменники
- •3.3.1.1. Мониторинг состояния и техническое обслуживание теплообменников
- •3.3.2. Тепловые насосы (в т.ч. механическая рекомпрессия пара)
- •3.3.3. Системы охлаждения и холодильные установки
- •3.4. Когенерация
- •3.4.1. Различные методы когенерации
- •3.4.2. Тригенерация
- •3.4.3. Централизованное холодоснабжение
- •3.5. Электроснабжение
- •3.5.1. Компенсация реактивной мощности
- •3.5.2. Гармоники
- •3.5.3. Оптимизация систем электроснабжения
- •3.5.4. Энергоэффективная эксплуатация трансформаторов
- •3.6. Подсистемы с электроприводом
- •3.6.1. Энергоэффективные двигатели
- •3.6.2. Выбор оптимальной номинальной мощности двигателя
- •3.6.3. Приводы с переменной скоростью
- •3.6.4. Потери при передаче механической энергии
- •3.6.5. Ремонт двигателей
- •3.6.6. Перемотка
- •3.6.7. Экологические преимущества, воздействие на различные компоненты окружающей среды, применимость и другие соображения относительно методов повышения энергоэффективности систем с электроприводом
- •3.7. Системы сжатого воздуха
- •3.7.1. Оптимизация общего устройства системы
- •3.7.2. Использование приводов с переменной скоростью
- •3.7.3. Высокоэффективные электродвигатели
- •3.7.4. Централизованная система управления системой сжатого воздуха
- •3.7.5. Утилизация тепла
- •3.7.6. Сокращение утечек в системах сжатого воздуха
- •3.7.7. Техническое обслуживание фильтров
- •3.7.8. Использование холодного наружного воздуха для питания компрессоров
- •3.7.9. Оптимизация давления системы
- •3.7.10. Создание запаса сжатого воздуха вблизи потребителей с существенно варьирующим уровнем потребления
- •3.8. Насосные системы
- •3.8.1. Инвентаризация и оценка насосных систем
- •3.8.2. Выбор насоса
- •3.8.3. Оптимизация трубопроводной системы
- •3.8.4. Техническое обслуживание
- •3.8.5. Управление насосными системами и их регулирование
- •3.8.6. Привод и передача
- •3.8.7. Экологические преимущества, воздействие на различные компоненты окружающей среды, применимость и другие соображения относительно методов повышения энергоэффективности насосных систем
- •3.9. Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ)
- •3.9.1. Отопление и охлаждение помещений
- •3.9.2. Вентиляция
- •3.9.2.1. Оптимизация проектных решений при внедрении новой или модернизации существующей системы вентиляции
- •3.9.2.2. Повышение эффективности существующей вентиляционной системы
- •3.9.3. Естественное охлаждение
- •3.10. Освещение
- •3.11. Процессы сушки, сепарации и концентрирования
- •3.11.1. Выбор оптимальной технологии или сочетания технологий
- •3.11.2. Механические процессы
- •3.11.3. Методы термической сушки
- •3.11.3.1. Расчет энергозатрат и КПД
- •3.11.3.2. Конвективная сушка
- •3.11.3.3. Контактная сушка
- •3.11.3.4. Перегретый пар
- •3.11.3.5. Утилизация тепла в процессах сушки
- •3.11.3.6. Выпаривание в сочетании с механической рекомпрессией пара или тепловым насосом
- •3.11.3.7. Оптимизация теплоизоляции сушильных систем
- •3.11.4. Радиационная сушка
- •3.11.5. Системы автоматизированного управления процессами термической сушки
- •4. Наилучшие доступные технологии
- •4.1. Введение
- •4.2. Наилучшие доступные технологии обеспечения энергоэффективности на уровне установки
- •4.2.1. Менеджмент энергоэффективности
- •4.2.2. Планирование и определение целей и задач
- •4.2.2.1. Постоянное улучшение экологической результативности
- •4.2.2.2. Выявление аспектов энергоэффективности установки и возможностей для энергосбережение
- •4.2.2.3. Системный подход к менеджменту энергоэффективности
- •4.2.2.4. Установление и пересмотр целей и показателей в области энергоэффективности
- •4.2.2.5. Сравнительный анализ
- •4.2.3. Энергоэффективное проектирование (ЭЭП)
- •4.2.4. Повышение степени интеграции технологических процессов
- •4.2.5. Поддержание поступательного развития инициатив в области энергоэффективности
- •4.2.6. Поддержание уровня квалификации персонала
- •4.2.7. Эффективный контроль технологических процессов
- •4.2.8. Техническое обслуживание
- •4.2.9. Мониоринг и измерения
- •4.3. Наилучшие доступные технологии обеспечения энергоэффективности энергопотребляющих систем, технологических процессов, видов деятельности и оборудования
- •4.3.1. Сжигание
- •4.3.2. Паровые системы
- •4.3.3. Утилизация тепла
- •4.3.4. Когенерация
- •4.3.5. Электроснабжение
- •4.3.6. Подсистемы с электроприводом
- •4.3.7. Системы сжатого воздуха
- •4.3.8. Насосные системы
- •4.3.9. Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ)
- •4.3.10. Освещение
- •4.3.11. Процессы сушки, сепарации и концентрирования
- •5. Новые технологии обеспечения энергоэффективности
- •5.1. Беспламенное сжигание (беспламенное окисление)
- •5.2. Сжатый воздух как средство хранения энергии
- •6. Заключительные замечания
- •6.1. Временные рамки и основные этапы подготовки настоящего документа
- •6.2. Источники информации
- •6.3. Степень консенсуса
- •6.4. Пробелы и дублирование информации. Рекомендации по дальнейшему сбору информации и исследованиям
- •6.4.1. Пробелы и дублирование информации
- •6.4.3. Конкретная производственная информация
- •6.4.3. Направления дальнейших исследований и практической деятельности
- •6.5. Пересмотр настоящего документа
- •Источники
- •Глоссарий
- •7. Приложения
- •7.1. Энергия и законы термодинамики
- •7.1.1. Общие принципы
- •7.1.1.1. Описание систем и процессов
- •7.1.1.2. Формы энергии и способы ее передачи
- •7.1.2. Первый и второй законы термодинамики
- •7.1.2.1. Первый закон термодинамики: баланс энергии
- •7.1.2.2. Второй закон термодинамики: энтропия
- •7.1.2.2.2. Баланс энтропии для закрытой системы
- •7.1.2.3. Баланс энтропии для открытой системы
- •7.1.2.4. Анализ эксергии
- •7.1.3. Диаграммы свойств, таблицы свойств, базы данных и программы
- •7.1.3.1. Диаграммы свойств
- •7.1.3.2. Таблицы свойств, базы данных и программное моделирование
- •7.1.3.3. Источники неэффективности
- •7.1.4. Использованные обозначения
- •7.1.4.1. Библиография
- •7.2. Примеры термодинамической необратимости
- •7.2.1. Пример 1. Дросселирование
- •7.2.2. Пример 2. Теплообменники
- •7.2.3. Пример 3. Процессы перемешивания
- •7.3. Примеры анализа энергоэффективности производства
- •7.3.1. Производство этилена методом парового крекинга
- •7.3.2. Производство мономера винилацетата (МВА)
- •7.3.3. Горячая прокатка стали
- •7.4. Примеры внедрения систем менеджмента энергоэффективности
- •7.5. Примеры энергоэффективных технологических процессов
- •7.6. Пример подхода к поступательному развитию инициатив в сфере энергоэффективности: «совершенство в производственной деятельности»
- •7.7. Мониторинг и измерения
- •7.7.1. Количественные измерения
- •7.7.2. Оптимизация использования энергоресурсов
- •7.7.3. Энергетические модели, базы данных и балансы
- •7.8. Другие инструменты аудита и поддержки мероприятий по повышению энергоэффективности на уровне предприятия
- •7.8.1. Инструменты аудита и менеджмента энергоэффективности
- •7.9. Сравнительный анализ
- •7.9.1. Нефтеперерабатывающие заводы
- •7.9.2. Австрийское энергетическое агентство
- •7.9.3. Схема для норвежских МСП
- •7.9.4. Соглашения о сравнительном анализе в Нидерландах
- •7.9.5. Сравнительный анализ в стекольной промышленности
- •7.9.6. Распределение энергозатрат и выбросов CO2 между различными видами продукции в сложном последовательном процессе
- •7.10. Примеры к главе 3
- •7.10.1. Паровые системы
- •7.10.2. Утилизация отходящего тепла
- •7.11. Мероприятия на стороне потребителя
- •7.12. Энергосервисные компании
- •7.13. Сайт Европейской комиссии, посвященный вопросам энергоэффективности и Национальные планы действий государств-членов
- •7.14. Европейская схема торговли квотами (ETS)
- •7.15. Оптимизация транспортных систем
- •7.15.1. Энергоаудит транспортных систем
- •7.15.2. Менеджмент энергоэффективности автомобильного транспорта
- •7.15.3. Улучшение упаковки с целью оптимизации использования транспорта
- •7.16. Европейский топливный баланс
- •7.17. Коррекция коэффициента мощности при электроснабжении
правило, является относительно коротким, принимая во внимание значительное время работы трансформаторов (ч/год).
Мотивы внедрения
Основными мотивами являются энергосбережение и снижение затрат.
Примеры
В одном из примеров модернизации трансформаторной подстанции, предусматривавшей установку четырех новых трансформаторов с электрическими мощностями 200, 315, 500 и 1250 кВА, срок окупаемости, согласно оценке, должен был составить 1,1 г.
Справочная информация
[228, Petrecca, 1992, 229, Di Franco]
3.6. Подсистемы с электроприводом38
Введение
Наилучшим подходом к анализу и оптимизации энергоэффективности систем с электроприводом является изучение потребностей технологического процесса в механической энергии, а также оптимального способа функционирования системы. Такой системный подход, позволяющий обеспечить наибольшее энергосбережение (см. разделы 1.3.5 и 1.5.1), обсуждается в соответствующих разделах настоящей главы. Объемы энергосбережения, достигаемого в результате оптимизации системы в целом, как минимум, равны тому, что может быть достигнуто при оптимизации отдельных компонентов, но могут превосходить эту величину на 30% и более (см. раздел 1.5.1 и, например, обсуждение оптимизации систем снабжения сжатым воздухом в разделе 3.7).
В подсистемах с электроприводом электрическая мощность преобразуется в механическую. В большинстве промышленных применений механическая энергия передается использующему устройству в форме механической энергии вращения (посредством вращающегося вала). Электродвигатели являются первичными приводами для большинства видов промышленного оборудования, использующего механическую энергию, включая, в частности, насосы, вентиляторы, миксеры, конвейеры, корообдирочные машины, дробилки, пилы, экструдеры, центрифуги, прессы, мельницы и т.д.
На электродвигатели приходится значительная часть общего потребления электроэнергии в Европейском Союзе. Согласно оценкам, на электродвигатели приходится:
•около 68% потребления электроэнергии в промышленности, что в 1997 г. составляло 707 ТВт·ч;
•1/3 потребления электроэнергии в «третичном секторе» (транспорт, связь, сфера услуг).
Подсистемы с электроприводом
Это подсистема или совокупность компонентов, состоящая из:
•источника энергоснабжения;
•устройства управления (регулирующего устройства), например, преобразователя частоты (см. ниже);
•электродвигателя, как правило, переменного тока;
•механической передачи;
•приводимого в движение устройства (исполнительного устройства), например, центробежного насоса.
38 В настоящем документе под «системой» понимается совокупность взаимосвязанных компонентов или устройств, действующих совместно для выполнения определенной функции (например, системы ОВКВ или снабжения сжатым воздухом). См. обсуждение вопроса о границах системы. В состав систем часто входят подсистемы (или меньшие системы-компоненты) с электроприводом.
217
На рис. 3.25 представлены схемы традиционной и энергоэффективной насосных систем.
Рисунок 3.25: Схема традиционной и энергоэффективной насосной систем
[246, ISPRA, 2008]
Исполнительное устройство
Это устройство или установка, выполняющие какую-либо полезную функцию, имеющую отношение к назначению промышленного предприятия. Как правило, полезная функция относится к одной из двух основных категорий:
•изменение каких-либо свойств веществ, материалов или объектов, например, изменение давления (компрессоры, насосы) или физической формы (дробление, вытягивание проволоки, прокатка металла и т.п.). Именно функция, связанная с изменением давления, играет важную роль в крупных системах, которым посвящены отдельные разделы данного документа:
o насосы (20 %), см. раздел 3.8;
o вентиляторы (18 %), см. раздел 3.9
o воздушные компрессоры (17 %), см. раздел 3.7;
oкомпрессоры систем охлаждения (11 %), см. раздел 3.4.2.
•перемещение или транспортировка материалов или объектов (конвейеры, краны, лебедки, подъемники и т.д.):
oконвейеры (4 %) и другие применения (30 %).
(Приведенные процентные значения отражают долю общего потребления энергии электродвигателями в 15 странах ЕС (EU-15), приходящуюся на данное применение)
Потребление электроэнергии системой с электроприводом зависит от множества факторов, включая:
•КПД двигателя;
•выбор оптимальной мощности двигателя и других компонентов системы;
•управление работой двигателя: управление пуском/остановом, а также регулирование скорости;
•качество энергоснабжения;
218
•система механической передачи;
•практики технического обслуживания;
•КПД устройства, потребляющего механическую мощность.
Для реализации максимального потенциала энергосбережения пользователю следует начать с оптимизации более широкой системы, в состав которой входит подсистема с электродвигателем, и лишь затем переходить к оптимизации подсистемы (см. разделы 1.4.2 и 1.5.1, а также разделы по конкретным типам систем в настоящей главе).
Механическая передача
Механическая передача обеспечивает механическое соединение и передачу энергии между приводом и устройством, приводимым в движение. Передача может быть реализована при помощи простои жесткой муфты, соединяющей валы устройства и двигателя, редуктора, ременного или цепного привода, или гидравлической передачи. С любым из видов передачи связаны определенные дополнительные потери в системе.
Электродвигатели
Электродвигатели подразделяются на два основных класса: двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока. В промышленности применяются оба типа двигателей, однако на протяжении нескольких последних десятилетий преимущество в большинстве случаев отдается двигателям переменного тока.
Кдостоинствам двигателей переменного тока относится:
•надежность, простота конструкции, ограниченные потребности в техническом обслуживании;
•высокий уровень КПД (в особенности у двигателей высокой мощности);
•относительно низкая стоимость.
Всилу этих достоинств двигатели переменного тока получили широкое распространение. Однако они способны эффективно функционировать лишь при определенной частоте вращения. Если нагрузка является нестабильной, возникает потребность в регулировании скорости, что может быть реализовано наиболее энергоэффективным способом при помощи регулятора (преобразователя) частоты.
Впромышленности наиболее распространены электродвигатели переменного тока, имеющие одну многофазную систему обмоток, активно участвующую в процессе преобразования энергии.
Двигатели переменного тока подразделяются на:
•индукционные (асинхронные) двигатели, которые способны самостоятельно создавать пусковой момент (хотя и незначительный) и, как следствие, не требуют вспомогательных устройств для запуска. Данная технология хорошо приспособлена для двигателей с мощностью до нескольких мегаватт;
•синхронные двигатели, которые принципиально способны создавать момент лишь при номинальной скорости вращения. Такие двигатели неспособны самостоятельно создавать пусковой момент и, как следствие, нуждаются в дополнительных средствах для запуска и разгона, например, специальных регулирующих устройствах. Синхронные двигатели часто используются там, где необходима большая мощность, например, для приведения в действие компрессоров в нефтехимической промышленности.
Электродвигатели постоянного тока с возбуждением от постоянного магнита и, в частности, синхронные бесколлекторные двигатели, могут использоваться там, где необходима меньшая частота вращения, чем та, которая характерна для двигателей переменного тока. В таких применениях (с частотой вращения 220 – 600 об./мин.), например в т.н. секционных приводах бумагоделательных и картоноделательных машин, использование двигателей постоянного тока позволяет обойтись без редукторов, что способствует повышению общего КПД системы.
219
Рисунок 3.26: Привод компрессора с номинальной мощностью 24 МВт
[95, Savolainen, 2005]
Легкость электрического регулирования частоты вращения являлась традиционным преимуществом двигателей постоянного тока. Кроме того, этот тип двигателей отличается значительной величиной пускового момента, что существенно для некоторых применений. Однако быстрое развитие электронных средств и алгоритмов управления двигателями переменного тока привело к тому, что технология постоянного тока практически утратила превосходство даже в традиционных областях своего применения. Напротив, современные двигатели переменного тока превосходят свои аналоги, работающие на постоянном токе, во многих отношениях. Иными словами, в настоящее время даже такие специфические функции, как управлению скоростью и крутящим моментом накатов в бумагоделательных машинах, могут выполняться двигателями переменного тока в сочетании с соответствующими регулирующими устройствами.
Устройство управления
В своей простейшей форме устройство управления представляет собой выключатель или контактор для включения или выключения двигателя посредством замыкания или размыкания цепи. Выключатель может управляться вручную или дистанционно, при помощи управляющего напряжения. Выключатель с добавленными функциями защиты двигателя представляет собой пускатель двигателя.
Более сложным способом подключения двигателя к сети является использование устройства плавного запуска (называемое также «пусковой переключатель со звезды на треугольник»). Это устройство обеспечивает плавный запуск двигателя переменного тока, ограничивая «броски тока» при запуске и тем самым защищая двигатель и предохранители в цепях. В отсутствие устройства плавного запуска двигатель переменного тока чрезвычайно быстро разгоняется до номинальной скорости. Однако устройство плавного запуска НЕ является средством повышения
220