Введение

Данное пособие составлено коллективом авторов, подготовивших и в разное время прочитавших курс лекций "Системы производства и распределения энергоносителей промпредприятий" для студентов специальности "Промышленная теплоэнергетика". Программа курса предусматривает изучение систем производства и распределения таких энергоносителей, как сжатый воздух, техническая вода, газ, продукты разделения воздуха (кислород, азот, аргон) и холод. Изучение систем обеспечения такими энергоносителями, как электроэнергия, теплота (в виде пара, нагретой воды) осуществляется в других курсах. Сжатый воздух - это один из самых распространенных энергоносителей на любом промышленном предприятии. А совокупность устройств, связанных с его обработкой и распределением, включающих компрессоры, теплообменники, устройства очистки и осушки, транспортные и распределительные коммуникации, является достаточно сложной и энергоемкой промышленной системой, от уровня совершенства и эксплуатации, которой зависят показатели технологических процессов, где сжатый воздух используется. Вопросы проектирования, эксплуатации и исследования систем воздухоснабжения промышленных предприятий входят в круг первоочередных задач практически каждого инженера промтеплоэнергетика как неспосредственно, так и в связи с другими системами и процессами (водоснабжение, газоснабжение, получение кислорода и холода). Вместе с тем, при большом объеме и разнообразии научно-технической и инженерной литературы по различным вопросам воздухоснабжения, методическая литература, в которой комплексно изложены основные вопросы терминологии, анализа, выбора и расчета оборудования систем воздухоснабжения, отсутствуют. Книги Карабина А.И. "Сжатый воздух" М. , Машиностроение,1964. 340 с. и Блейхера И.Г. и Лисеева В.П."Компрессорные станции М.; Машгиз, 1959 323 с., в основном используемые студентами вузов и инженерами для этих целей с 1965-1967г., не переиздавались, стали библиографически редкими, а в некоторых разделах и устарели. Учитывая общностъ многих вопросов оценки эффективности систем производства и распределения энергоносителей, особенно при производстве нескольких продуктов (воздухоразделительная станция) или другого продукта разных параметров (воздух разных давлений, холод разных температурных уровней), в первой главе сформулированы общие понятия и требования к системе производств и распределения энергоносителей.

I. Система производства и распределения энергоноситепей

Общие понятия и определения.

Содержание данного пособия охватывает системы воздухоснабжения (СВС) промышленных предприятий. В СВС проявляются наиболее общие и характерные свойства и закономерности систем производства и распределении энергоносителей. Поэтому целесообразно дать основные понятия и определения системы и ее элементов в этом обобщенном аспекте. Обобщенное определение понятия "система" (от греческого Systema - целое, составленное из частей, соединение) раскрывает ее как объективное единство закономерно связанных друг с другом предметов, явлений, а также знаний о природе к обществу [I].

Применительно к научно-техническим задачам система – это множество элементов (узлов, агрегатов, приборов и т.п.), понятий, норм с отношениями и связями между ними, образующих некоторую целостность и подчиненных определенному руководящему принципу. В применении к системам производства и распределения энергоносителей обобщенное понятие системы, базируясь на приведенном выше определении, должно непременно включать также обязательные элементы системы, как генератор, производящий энергоноситель, потребитель, использующий энергоноситель в том, или ином технологическом процессе, и коммуникацию как связь между этими элементами системы. В таком представлении система - это совокупность функционально связанных элементов (генератор, коммуникация, потребитель), подчиненная определенным целевым функциям. Система может быть для анализа и изучения разделена на подсистемы, которые, в свою очередь, могут быть названы системами. Совокупность нескольких взаимосвязанных систем производства и распределения энергоносителей (СПРЭ) может составлять комплекс. Энергоноситель в такой системе - это материальный шток, характеризуемый определенным значением эксэргии, посредством которого осуществляются связи между элементами системы или установки. В общем виде СПРЭ может быть представлена схемой, изображенной на рис.1.1.Рассматриваемая система состоит из основных элементов: генератора I, потребителя П. и коммуникаций. К III. Элемент I состоит из нескольких производящих один энергоноситель генераторов Г1, Г2, ГЗ с отличающимися параметрами. Элемент П. состоит из потребителей П1, П2, ПЗ, использующих энергоноситель с требуемыми свойствами и имеющих в своем составе часть коммуникаций и устройств распределения энергоносителя. Коммуникация KI связывает Г1 и П1 по блочному принципу. Параметры энергоносителя, генерируемого Г1 и Г2,таковы, что коммуникация К2 имеет общий коллектор как у генератора, так и у потребителя В. Э1, ВЭ2, ВЭЗ - вспомогательные элементы, расположенные в различных участках коммуникаций и предназначенные для дополнительного изменения свойств энергоносителя. На схеме показаны связи данной системы с другими: с системами CI и С2, относящимися к энергоносителям другого вида, например, если. С - система воздухоснабжения, CI - система водоснабжения, С2 – система кислородоснабжения, системой СЗ - энергообеспечения (формы энергии Э1, 32 и ЭЗ могут в общем случае отличаться), и системой С4-реализации конечных продуктов Пр1, Пр2, ПрЗ. В процессе производства и преобразования параметров энергоносителя может образовываться поток ВЭР, не используемый в данной системе и отведенный стороннему потребителю. В целом схема, представленная на рис. 1.1, может характеризовать теплоэнергетический комплекс промышленного предприятия. I.I. Требования к системе и ее функции СПРЭ в общем случае должна отвечать следующим требованиям: 1. Обеспечение потребителей энергоносителем с заданными параметрами по количественным (расход) и качественным (давление Р, температура Т, концентрация ζ , чистота, влажность и т.д.) показателям. 2. Обеспечение заданных режимов потребления энергоносителя, достигаемое с помощью регулирования параметров у генератора, а также использования аккумулирующих емкостей и устройств.

3. Бесперебойность и надежность обеспечения потребителя энергоносителем по п. I и 2, осуществляемые резервированием, дублированием коммуникаций, агрегатов и установок.

4. Соблюдение требований по п. 1-3 с учетом минимума материальных эксергетических потерь и оптимальным соотношением энергетических и капитальных затрат.

5. Соблюдение принципа безотходности (или малоотходности) путем использования ВЭР как собственной системы в других системах, так и ВЭР других систем, учет экологических требований.

6. Соответствие СПРЭ требованиям ТБ, ПБ, СТТ, ГО и технической эстетики.

1.2. Характеристика функций вспомогательных элементов системы

При всем многообразии вспомогательных элементов системы (ВЭ) их целесообразность в схеме СПРЭ определяется следующими требованиями:

I. Выполнение ВЭ функций перемещения энергоносителя от генератора к потребителю. Эта функция осуществляется насосами, компрессорами, газодувками, внешними транспортными средствами (например, перевозка энергоносителя в баллонах, цистернах и т.д.).

2. Хранение и резервирование энергоносителя в газгольдерах, реципиентах, хранилищах, жидкостных сосудах и т.д.

3. Дополнительные изменение свойств энергоносителя по одному или нескольким параметрам: повышение иди понижение температуры, очистка, изменение влажности.

4. Дополнительное изменение состава или концентрации энергоносителей, достигаемое разделением на составляющие (например, выделение редких газов в воздухоразделительных установках, ценных конденсируемых составляющих из природного газа) или смешением энергоносителей (смешение природного коксового и доменного газов, подготовка обогащенного кислородом дутья смешением воздуха и кислорода, создание защитных атмосфер смешением азота и водорода). 5. Изменение агрегатного состояния энергоносителя по требованию технологии или условиям хранения и транспорта (конденсация, газификация, создание двухфазных смесей).

1.3. Целевые функции и показатели эффективности системы

I. КПД системы в общем случае для схемы, изображенной на рис. 1.1 , КПД системы может быть представлен следующим соотношением:

где - сумма эксэргий генерируемого в "n " генераторах энергоносителя, в общем случае параметры и эксэргий энергоносителя могут отличаться; - сумма эксэргий ВЭР, производимых системой С и утилизируемых внешними системами С1-С4; - сумма эксэргий привода, затраченная в генераторах, в общем случае виды энергии привода могут отличаться; - эксэргий потоков, которыми система С обменивается с системами CI и С2.Величина дает возможность термодинамической оценки эффективности системы и ее термодинамической оптимизации. В зависимости от необходимости анализа КПД системы может быть записан и определен по сечениям I, П и Ш, показывая совершенство системы по отдельным ее участкам (сечениям). Располагая информацией по отдельным участкам системы, КПД может быть представлен как

где - КПД генератора, коммуникаций и потребителя. Для границы системы, показанной на рис.1.1., включает только потери в распределительных устройствах энергоносителя у потребителя.

2. Удельный расход энергии на единицу количества энергоносителя Э_i , кВт ч/м³ или кВт ч/ кг,

,

где Э_i - расход энергии на производство энергоносителя t кВт ч; - объемный (как правило, отнесенный к нормальным условиям) м³/ч, или массовый расход энергоносителя, кг/ч. В современной практике величина Э_i чаще всего определяется по сечению на выходе из генератора без учета материальных и эксергетических потерь в коммуникации и распредустройствах потребителя. При анализе и оптимизации параметров системы с учетом названных потерь, составляющих от 20 до 40 %, величина Э_i должна определяться по сечению на входе потребитель. Используется как среднее значение Э_{i ср} по всем генераторам, особенно если энергоноситель сколлектирован, так и локальные значения для каждого генератора.

3. Норма расхода энергоносителя на единицу продукции

где V_i и Пр - соответственно количество энергоносителя и конечного продукта, отнесенного к одинаковому промежутку времени, например, год, час, минута и т.д.

Величина обычно задается технологическим потребителем по статистическим данным и данным испытаний.

4. Приведенные затраты в системе. Приведенные затраты П в СПРЭ определяются из соотношения, руб./год,

где К - суммарные капиталовложения в системе, руб.; Э - ежегодные суммарные издержки на производство энергоносителя, руб./год; Е_Н - нормативный коэффициент эффективности, 1/год. Величина П используется для технико-экономической оценки и оптимизации как системы в целом, так и ее элементов, в частности станций и установок, генерирующих энергоноситель. П - наиболее часто используемая для оптимизации систем целевая функция, а ее минимум определяет оптимальное количество установок, агрегатов, параметров и режимов энергоносителя.

5. Распределение затрет на производство энергоносителя. Задача распределения затрат возникает в системах СПРЭ при производстве энергоносителя одного типа, но разных параметров (например, сжатый воздух разных давлений и температур), производстве одним генератором нескольких различных энергоносителей (воздухоразделительная установка), и выработке утилизируемых в других системах ВЭР в процессе производства энергоносителя. Во всех этих случаях из всех существующих методов распределения затрат наиболее целесообразен и удобен метод распределения затрет в соответствии с эксэргией потоков энергоносителей, поскольку в их производстве существенную роль играют энергетические затраты. Задача распределения любой суммарной величины на входе в систему (первичной энергии, капитальных затрат) состоит в определении доли эксэргии данного энергоносителя в сумме эксэргий энергоносителей системы m_i

где E_i - эксэргия энергоносителя i из общего количества энергоносителей в системе n (включая утилизируемые потоки ВЭР); - сумма эксэргий всех потоков произведенных энергоносителей. В соответствии с величиной т,- могут быть распределены - затраты первичной энергии на производство энергоносителя Э_i кВтч/ед. количества энергоносителя,

∑ Э - суммарные затраты энергии на производство энергоносителей в системе; капитальные затраты, К_i

K_i=m_i ∑ Э,

∑ Э - суммарные капитальные затраты на производство энергоносителей в системе; себестоимости отдельных потоков энергоносителей, руб./ед. кол. энергоносителя,

Во всех предыдущих случаях предполагалось, что КПД процессов производства энергоносителей одинаковы и равны некоторому общему КЦД η_с. В большинстве случаев такое обобщение вполне правомерно, к тому же процессы преобразования энергоносителей осуществляются совместно и их раздельный анализ затруднен.

Однако в некоторых случаях КПД отдельных процессов различные и могут быть выделены. В этом случае коэффициенты, аналогичные m_i должны быть определены по величине эксэргии E _i ,учитывающей потери в процессе преобразования i -го энергоносителя. Методика такого распределения затрат для сложных многоцелевых систем описана подробно в [2].