Промышленное теплоснабжение

Основным инструментом государственной  поддержки реализации проектов по энергосбережению и повышению энергетической эффективности  на энергоемких промышленных производствах  является предоставление государственных  гарантий Российской Федерации по кредитам на реализацию проектов по энергосбережению и повышению энергетической эффективности, привлекаемым отобранными в порядке, установленном Правительством Российской Федерации, организациями.

Энерготехнологические установки

Энерготехнологическое комбинирование в прокатном производстве

В прокатном производстве энерготехнологическое комбинирование позволяет снизить удельные затраты  топлива на нагрев единицы массы  металла. Котел на отходящих продуктах  сгорания (рис. 27) устанавливается на печи. Металлический воздухоподогреватель размещается за котлом. Система испарительного охлаждения печи включается в параллельный циркуляционный контур котла.

На рис. 27 показана схема  ЭТА, предназначенного для нагрева  металла перед прокаткой [5]. Теплоиспользующая  котельная поверхность устанавливается  над нагревательной печью непосредственно  перед воздушным подогревателем. При этом открывается возможность  повысить температуру газов на выходе из печи, что приводит к интенсификации нагрева металла; одновременно обеспечивается также надежная работа воздухоподогревателя.

Дополнительными преимуществами ЭТА являются снижение капитальных  затрат при повышении эффективности  работы в связи с ликвидацией  подземных боровов большой протяженности, керамического рекуператора, отдельного здания для КУ. Имеется возможность  более глубокого охлаждения газов  в связи с установкой воздушного подогревателя в качестве замыкающей поверхности. Экономия топлива достигается  за счет подогрева воздуха до высоких  температур. Тепловой баланс печи имеет  следующий вид:

где M – массовое количество подогреваемого металла, кг/с; Gг и Gв – расходы  продуктов сгорания и воздуха  соответственно, м3/с; B – расход топлива  на подогрев металла, м3/с;   - теплота сгорания газа, МДж/м3;   - теплоемкости воздуха газа, и металла соответственно, кДж/м3 и кДж/кг; tв – температура подогретого воздуха, °С; tг – температура продуктов сгорания на выходе из печи, °С;    - температура металла на входе и на выходе из печи, °С.

Расходы продуктов сгорания и воздуха  связаны с расходом топлива B соотношениями

где V0 – теоретически необходимое  количество воздуха, м3/м3;   - теоретический объем продуктов сгорания, м3/м3; a – коэффициент избытка воздуха. Подставляя указанные выражения в (31), получим выражение для расчета удельного расхода топлива на нагрев единицы массы металла

Рис. 27. Схема ЭТА для нагрева металла  и выработки энергетического  пара:

1 - проходная печь для нагрева металла; 2 - нагреваемый металл; 3 - газовые горелки;

4 - котел-утилизатор; 5 - испарительные поверхности нагрева; 6 - пароперегреватель;

7 - барабан; 8 - водяной экономайзер; 9 - воздухоподогреватель

Энерготехнологическое комбинирование в целлюлозно-бумажной промышленности При производстве целлюлозы  широко применяют ЭТА, в которых  осуществляется технологический процесс, сжигание так называемого черного щелока с восстановлением сульфата натрия.

Основной  процесс сушки и сгорания органических веществ происходит в объеме топки, расположенном между подушкой огарка и щелоковыми форсунками.

Паропроизводительность  котла обеспечивает расход пара на варочный котел (D1), на выпарную установку (D2) и на подогреватель (D3).

Расчет  тепловой схемы Расчет каупера.

Баланс ГТУ Компрессор сжимает атмосферный воздух, повышая его давление от Р0 до Рк. Р0 = 0,1 МПа; Рк = 0,5 МПа, т.е. степень сжатия компрессора равна π = 5.

Энерготехнологическое комбинирование при получении водорода Основным технологическим звеном энерготехнологической  установки получения водорода является печь-реактор [8], где происходит паровая конверсия метана  . (51).

Тепловой баланс топки 

Предмет теплотехники, связь с другими  отраслями знаний, основные понятия  и определения; Термодинамика: смеси  рабочих тел, теплоемкость, законы термодинамики, термодинамические процессы и циклы, реальные газы и пары, термодинамика  потоков, термодинамический анализ теплотехнических устройств, фазовые  переходы, химическая термодинамика. 

Проблемы энергосбережения были, есть и будут актуальными  для всех отраслей промышленности и  ЖКХ. На всех стадиях технологии производства и преобразования первичных энергоресурсов, транспорта, распределения и конечного  использования их энергетического  потенциала происходят значительные потери энергии, что является крупнейшим резервом экономии ТЭР.

Профессором А. Д. Ключниковым  была предложена структурная схема  энергетики страны, состоящая из четырёх  основных производственно-технологических  комплексов (ПТК), представленных на рис. 1.

Топливо

Топливо

Электроэнергия Теплота 

Электро- Теплота Топливо  Другие ВЭР

энергия энергоносители технологий

Материальная Услуги

продукция

Рис. 1. Структурная схема  энергетики страны 

Экономия единицы энергии  на конечной стадии её потребления (в IV-ПТК)

приводит к экономии 3-4 единиц первичного энергоресурса, а  иногда и 10-15 единиц в зависимости  от эффективности всех стадий преобразования, транспорта и распределения, которые  проходят первичные ресурсы на пути от I-ПТК до конечных потребителей. Средние  удельные капитальные вложения в  энергосберегающие мероприятия, осуществляемые конечным потребителем энергоносителей, многократно ниже ожидаемых капитальных  вложений в производство эквивалентного количества энергетических ресурсов. Системы теплоснабжения и прямого  использования топлива в теплотехнологических системах промышленных предприятий, особенно, таких как чёрная и цветная  металлургия, химическая и нефтехимическая  промышленность, производство строительных материалов и т.д., а также жилищно-коммунальный комплекс являются крупнейшими потребителями органического топлива в России.

В [1] проводится анализ взаимодействия вышеперечисленных ПТК и перспективы  перераспределения энергоресурсов между ними. В настоящее время  можно выделить следующие особенности  современной энергетики страны:

1. дальнейшее развитие  энергетики по традиционным путям  (высокий темп непрерывного наращивания  энергопроизводящих мощностей) встречает  исключительно серьёзные возражения  экономического, технического и  экологического характера, а также  связанные с истощением запасов  органического топлива;

2. излишняя централизация  теплоэлектроснабжения предприятий.  Технико-экономические прогнозы  показывают, что в ближайшем будущем  произойдет существенное перераспределение  потоков энергоносителей между  II-ПТК и III-ПТК, I-ПТК и III-ПТК  в сторону увеличения последнего;

3. основные (по масштабу) резервы  энергосбережения располагаются  в области конечного энергоиспользования,  т.к. большинство существующих  технологий являются заранее  энергоубыточными.

В [3] отмечается, что на реализацию всего многообразия теплотехнологических процессов (от низкотемпературного  нагрева воды до высокотемпературной  плавки металлов) непосредственно расходуется  около 2/3 органического топлива, более 1/3 вырабатываемой электроэнергии и более 1/2 тепловой энергии. Коэффициент полезного использования (КПИ) энергии на конечной стадии (в IV-м производственно-технологическом комплексе) находится на уровне, редко превышающем 10%.

Вместе с тем основные потери ТЭР — являются тепловые. Это связано с низкой степенью преобразования энергии в технологических  процессах, несовершенством теплотехнологического  оборудования, нерациональными тепловыми  схемами теплотехнологических систем, малым использованием избыточных внутренних энергоресурсов технологий во внешних  системах. В рамках отдельного предприятия  находятся теплотехнологические и  теплоэнергетические системы, которые  разрабатываются и проектируются  различными организациями. При разработке теплотехнологических систем, являющихся основой энерготехнологического комплекса  предприятия, как правило, не учитываются  возможности использования избыточных энергоресурсов технологий в энергосистеме  предприятия, структурными элементами которой они являются, а при  проектировании теплоэнергетических  систем промышленных предприятий практически  не используются избыточные энергоресурсы  технологий. Это приводит к значительному  дисбалансу между выработкой и потреблением энергоносителей [5].

В [2] показывается, что наивысшие  возможности энергосбережения основаны на реализации следующих принципов  безотходной технологии: технология обеспечивает комплексное и полное товарное извлечение всех компонентов  исходного сырья, продуктов, материалов (т.е. технология должна быть материалосберегающей); технология характеризуется наиболее низким уровнем теоретически необходимого общего энергопотребления в процессе комплексной переработки сырья, полупродуктов, материалов (т.е. технология должна быть энергосберегающей); в технологии обеспечивается наиболее низкий уровень  расхода воды (т.е. технология должна быть маловодной); технология обеспечивает охрану окружающей среды (т.е. технология должна быть экологически совершенной); технология обеспечивает благоприятные  производственные условия для человека (т.е. технология должна быть безопасной и легко управляемой).

Возможные энергосберегающие  мероприятия в теплотехнологии  можно классифицировать по трем группам: утилизационные, энергетической модернизации, интенсивного энергосбережения. При  внедрении утилизационных мероприятий  решаются задачи использования отходов  энергоносителей в теплотехнологических установках (ТТУ), системах (ТТС) и комплексах (ТТК). Мероприятия энергетической модернизации уменьшают отходы энергоносителей  и реализуются без изменения  принципиальных основ технологии, техники, управления, использования технологической  продукции. Мероприятия интенсивного энергосбережения обеспечивают предельно  высокий энергосберегающий эффект, называемый потенциалом резерва  интенсивного энергосбережения. Этот потенциал определяется как разность между расходом топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на действующем объекте  и их расходом в термодинамически идеальной модели этого объекта. Потенциал резерва интенсивного энергосбережения достигается в  общем случае на базе изменения принципиальных основ технологии, техники, управления, повышения качества технологической  продукции и полноты ее полезного  использования, а также на основе перехода к альтернативным сырьевым материалам и малоэнергоемкой технологической  продукции [2,3].

Следует особо отметить, что  наибольшая энергоэкономическая эффективность  достигается при комплексном  подходе к решению проблемы энергосбережения в разработке современных и модернизации существующих энерготехнологических  комплексов предприятий [4].

Энерготехнологический комплекс предприятия – органически взаимосвязанные: теплоэнергетические, теплотехнологические и электроэнергетические системы  на основе эффективного производства, преобразования, транспорта, аккумулирования, распределения и снабжения энергоносителями технологических систем, систем жизнеобеспечения предприятий для реализации технологически и энергоэкономически безупречного способа конечного использования  энергии на основе осуществления  строго регламентированных технологий конкретных материальных производств  или услуг при резком снижении энергоемкости технологической  продукции или представляемых услуг.

Эффективное решение задач  создания рациональных, с высокой  энергоэкономической эффективностью энерготехнологических комплексов предприятий в значительной мере влияет на ускорение развития промышленности – основы экономического развития страны и значительное сокращение энергопотребления  в жилищно-коммунальном комплексе (ЖКК).

В то же время, основными потерями энергоресурсов на промышленных предприятиях и ЖКК являются тепловые. Это связано  с низкой степенью преобразования тепловой энергии в технологических процессах, несовершенством теплотехнологического  оборудования, нерациональными тепловыми  схемами теплотехнологических систем, слабым использованием избыточных внутренних энергоресурсов технологий во внешних  системах. К примеру, в таком энергоёмком  производстве как производство минеральных  удобрений средний коэффициент  полезного использования энергоносителей (КПИ) составляет 2÷3% .

Только при определенной взаимосвязи теплоэнергетических  и теплотехнологических систем предприятия  возможно решение вопросов комплексного использования ТЭР. Алгоритм создания совершенных энерготехнологических  комплексов предприятий в общем  виде следующий [1]:

1. Анализ структур технологических  систем, объединяющихся в единую  энергетическую систему.

2. Анализ необходимых (регламентированных) тепловых и температурных режимов  ведения процессов в технологиях  с целью их интенсификации.

3. Установление минимально  требуемых энергоресурсов для  проведения процессов.

4. Определение количества  и качества энергоресурсов, выделяющихся  в технологиях.

5. Технико-экономический  анализ эффективности использования  в самой технологии энергоресурсов, выделяющихся в технологических  процессах (регенерация энергоресурсов).

6. Определение необходимого  дополнительного количества энергоресурсов  соответствующего качества на  единицу продукции.

7. Анализ потребностей  предприятия в энергоресурсах  для теплоэнергетических систем, включая системы обеспечения  жизнедеятельности.

8. Синтез теплотехнологических  систем каждой технологии на  основе разработанных тепловых  схем с эффективным регенеративным  и внешним использованием энергоресурсов, выделяющихся в технологических  процессах.

9. Технико-экономический  анализ выбора дополнительных  источников энергии, обусловленный  недостатком отдельных её видов  и потенциала.

10. Разработка теплоэнергетических  систем на основе эффективного  использования избыточных энергоресурсов  технологий.

11. Многокритериальная оптимизация  энерготехнологического комплекса  предприятия с учетом всех  ограничений.

12. Разработка высокоэффективного  оборудования, позволяющего реализовать  разработанные системы.

13. Исследование надёжности  и управляемости отдельных систем  и комплекса в целом.

При реализации этого алгоритма  на предприятиях приходится производить  множество итераций. Такой комплексный  подход позволяет решать проблемы рационального  использования ТЭР в III и IV-ПТК  с получением соответствующих результатов, которые можно проиллюстрировать  на примере разработанного энерготехнологического комплекса АО «Воскресенские минудобрения» (1987-92 г.г.). Суммарное энергопотребление  и ВЭР составляли 15 301 180 ГДж/год. Проведённые работы по интенсификации технологических процессов, разработке новых теплотехнологических систем и соответствующего оборудования производств: азотной кислоты (120 тыс.т. 100%HNO₃/год), экстракционной фосфорной кислоты (110 тыс.т. 100% Р₂0₅/год), серной кислоты (1515 т.100% H₂S0₄/сутки), аммофоса (276 тыс. т. 51% Р₂0₅/год) с рациональным объединением в единый энерготехнологический комплекс предприятия позволяют: сократить потребление топлива (на выработку теплоты и прямое использование в технологиях) в 3,4 раза, сократить потребление электроэнергии в 1,3 раза. [1].

Использование вышеуказанного алгоритма создания рациональных энерготехнологических  комплексов предприятий даёт аналогичные  результаты и для нефтехимической  промышленности [6].

Для подготовки специалистов, способных решать вышеуказанные  проблемы, в 1953 г. в Московском энергетическом институте был создан факультет  промышленной теплоэнергетики (ПТЭФ), который включал в себя пять кафедр: промышленных теплоэнергетических  систем (ПТС), тепломассообменных процессов  и установок (ТМПУ), энергетики высокотемпературной тсплотехнологии (ЭВТ), химии и электрохимической энергетики (ХиЭЭ), экономики и организации производства (ЭКО). На факультете десятилетиями целенаправленно корректировались научные направления каждого подразделения для радикального, комплексного решения проблемы крупномасштабного энергосбережения, что существенно сказалось и на содержании учебного процесса [7].

С 2000 года эта структура  кафедр работает в рамках ИПЭЭф –  Института проблем энергетической эффективности.

Хорошо известно, что элементами научных основ подготовки и переподготовки специалистов являются [8]:

1. Учебные планы и программы,  особенно профессиональных дисциплин,  основывающиеся на современных  научных достижениях в этой  области с постоянным их совершенствованием;

2. Учебная база, соответствующая  современным научным и практическим  достижениям в рассматриваемой  области и позволяющая проводить  исследовательские работы на  хорошем научном уровне;

3. Учебно-методические разработки, обеспечивающие реализацию исследовательских  навыков у студентов.

В 1996 году между Муниципальным  городским предприятием «Мосгортепло»  и МЭИ (ТУ) был заключен Договор  о сотрудничестве, предусматривающий:

- Целевую подготовку, повышение  квалификации и профессиональную  переподготовку специалистов для  МГП «Мосгортепло»;

- Проведение совместных  научно-исследовательских, опытно-конструкторских  и внедренческих работ.

Для более глубокой целевой  подготовки специалистов при финансовой поддержке ГУП «Мосгортепло»  были проведены научно-исследовательские  работы по дополнительным разделам профессиональной подготовки, которые целесообразно  было включить в учебные программы  отдельных дисциплин [8]:

1. Общая структура теплоснабжения  городов, районов, поселков и  других теплопотребляющих абонентов.  Их характеристики, проблемы теплоснабжения  и теплоиспользования в системах  отопления, вентиляции, кондиционирования  воздуха, хозяйственно-питьевого  водоснабжения;

2. Анализ современных российских  и зарубежных разработок по  снижению удельных энергозатрат  на теплоту, воду и электроэнергию  в системах теплоснабжения и  теплоиспользования;

3. Тепловые пункты: анализ  теплотехнологических систем, систем  регулирования отпуска теплоты,  основные пути повышения точности  и надежности регулирования. Их  расчет и проектирование;

4. Тепловые трубы, тепловые  насосы. Теория, практика и перспективы  использования в системах теплоснабжения;

5. Характеристики источников  теплоты, электроэнергии и воды, используемых в системах централизованного  и децентрализованного теплоснабжения. Их схемы, оборудование. Перспективы  использования новых источников  энергообеспечения в системах  теплоснабжения. Технико-экономическое  обоснование перевода котельных  в мини ТЭЦ в сочетании с  ТНУ, ДВС, ГТУ, ПГУ и т.д.

6. Характеристики и состояние  магистральных и межквартальных  тепловых сетей. Конструкции,  материалы. Основные причины и  статистические показатели аварийности  сетей. Современные и перспективные  конструктивные и изоляционные  материалы, а также строительные  конструкции прокладок тепловых  сетей.

7. Контроль и диагностика  тепловых сетей и их отдельных  элементов. Способы защиты теплопроводов  от внутренней и наружной коррозии. Программы и организация испытаний,  наладки и ремонтов тепловых  сетей.

8. Энергоаудит тепловых  сетей.

9. Автоматизация тепловых  пунктов. Принципы регулирования  отопительно-вентиляционной нагрузки, горячего и хозяйственно-питьевого  водоснабжения. Приборы учета,  контроля и авторегулирования.  Частотное регулирование электроприводов.

10. Диспетчеризация тепловых  пунктов. Принципы диспетчеризации,  оборудование для ее проведения.

11. Компьютерные технологии  эксплуатации и диагностики систем  теплоснабжения.

12. Организация управления  системами теплоснабжения. Административное  право и его использование  в процессах управления системами  теплоснабжения. Экономические методы  управления. Технико-экономическое  обоснование объемов и сроков  модернизации систем теплоснабжения, проведения ремонтов и реконструкций.

С 1997 года по направлению MГП «Мосгортепло» стали обучаться  студенты на договорной основе.

Для целенаправленной подготовки и переподготовки специалистов для  предприятий в ИПЭЭф в 2001 году создан и успешно работает центр  подготовки и переподготовки специалистов (ЦПП) «Энергоэффективность».

После образования ОАО  «Московская объединенная энергетическая компания» (МОЭК) учебные планы в  ЦПП «Энергоэффективность» были скорректированы с учетом того, что  в состав ОАО «МОЭК» вошла и  теплогенерирующая организация  ГУП «Мостеплоэнерго». Дополнительно  к дисциплине «Теплофикация и  тепловые сети» были включены такие  дисциплины, как «Котельные установки» и «Когенерационные системы теплохладоснабжения». Были разработаны учебные планы  и скорректированы программы  дисциплин повышения квалификации (162 часа) и профессиональной переподготовки (630 часов). Дисциплина «Энергосбережение  в теплотехнологических системах»  входит в оба учебных плана.

За последние девять лет  в этом центре прошли и проходят в настоящее время повышение квалификации и профессиональную переподготовку более 800 специалистов ГУП «Мосгортепло», ОАО «МОЭК» и других организаций. В настоящее время ЦПП «Энергоэффективность» является^: базовым для ОАО «МОЭК» по повышению квалификации и профессиональной переподготовки специалистов.

В специалистах по промышленной теплоэнергетике нуждаются практически  все отрасли промышленности и  ЖКХ. Поэтому подготовка специалистов должна обеспечивать широкий кругозор и умение решать проблемы рационального использования энергоносителей и энергосбережения в различных отраслях промышленности и ЖКХ. Поэтому ЦПП «Энергоэффективность» проводил и проводит в настоящее время работу по повышению квалификации и профессиональной переподготовке специалистов различных предприятий. В план обучения по программе профессиональной переподготовки специалистов в объеме 630 академических часов входят 17 основных дисциплин.

Учебные программы практически  всех дисциплин основываются на результатах  лучших научных работ по каждому  направлению, которые постоянно  совершенствуются.

Учебно-экспериментальной  базой для слушателей ЦПП «Энергоэффективность», к примеру, по дисциплине «Тепловые  пункты и диспетчеризация» является современный центральный тепловой пункт (ЦТП) в учебно-техническом центре, который создан ГУП «Мосгортепло». Там же слушатели знакомятся с технологией изготовления пластинчатых теплообменников, со сборкой блочных тепловых пунктов и их наладкой.

В настоящее время в  МЭИ (ТУ) создан и в прошлом году запущен современный учебно-экспериментальный  ЦТП, который обеспечивает теплотой системы отопления и горячего водоснабжения пять абонентов. ЦТП  занимает площадь более 200 м², что позволяет проводить учебно-исследовательские работы группе студентов до 30 человек одновременно. В нем студенты смогут выполнять более 20 различных учебно-исследовательских работ, связанных с рациональным использованием энергоносителей и решением вопросов энергосбережения.

Данные по работе ЦТП возможно получать не только непосредственно  на месте проведения работы, но и  на заинтересованных в этой работе кафедрах по электронной связи с  ЦТП, а также по Интернету.

На ЦТП планируется  также проводить исследования теплофизических  свойств различных теплоизоляционных  материалов в зависимости от термовлажностных условий. Для этих целей предусмотрен трубопровод, подсоединенный параллельно  обратному трубопроводу сетевой  воды (в байпас).

Основное оборудование: пластинчатые разборные теплообменники фирмы SWEP TRANTER, насосы фирмы GRUNDFOS, расширительный бак фирмы REFLEX, запорная и регулирующая арматура стальная фланцевая (шаровая), средства автоматизации, регулирующие клапаны фирмы DANFOSS, HONEYWELL, MOELLER.

Безусловно, для подготовки современных специалистов, способных  решать сложнейшие проблемы по производству, распределению, транспорту и использованию  энергоносителей с высоким энергосберегающим  эффектом, ВУЗам необходимы высококвалифицированные  кадры профессорско-преподавательского состава.