МИНИОБРНАУКИ РОССИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Московский государственный индустриальный университет
advertisement
МИНИОБРНАУКИ РОССИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ Московский государственный индустриальный университет Кафедра промышленной теплоэнергетики О.Б. Сенникова ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ Курс лекций для специальности 140104 МОСКВА 2011 СОДЕРЖАНИЕ Вводная лекция по дисциплине «Теплоэнергетические системы промышленных предприятий» ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ТЕПЛОЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ТЕМА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ТОПЛИВНО·ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ 1.1. Структура энергопотребления предприятий энергоемких отраслей промышленности Производство этилена и пропилена Производство изопрена методом двухстадийного дегидрирования Дегидрирование изоамиленов Выделение, разделение и очистка продуктов реакции Производство синтетического этилового спирта прямой гидратацией этилена Производство триацетатцеллюлозной основы пленочных кинофотоматериалов 1.2. Графики тепловых нагрузок промышленного предприятия 1.3. Вторичные энергетические ресурсы теплотехнологии 1.4. Проблемы и перспективы развития ТЭС ПП ТЕМА 2. ОСНОВНЫЕ СИСТЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 2.1. Классификация потребителей тепла и систем теплоснабжения Классификация потребителей тепла Классификация систем теплоснабжения Выбор систем теплоснабжения 2.2. Системы теплоснабжения 2.3. Системы пароснабжения. Схемы сбора и возврата промышленного конденсата Отвод конденсата из пароприемников и трубопроводов Схемы установки конденсатоотводчиков 2.4. Системы сбора и возврата конденсата 2.4.1. Системы сбора конденсата открытого типа 2.4.2. Системы сбора и возврата конденсата закрытого типа 2.4.3. Пароконденсатный баланс производственного участка 2.5. Системы хладоснабжения 2.6. Системы водоснабжения и водоподготовки 2.7. Системы оборотного водоснабжения 2.8. Системы воздухоснабжения 2.9. Системы кондиционирования воздуха 2.10. Системы газоснабжения 2.11. Общие и отличительные принципы построения подсистем 2.12. Принципы приема, распределения и использования ресурса в различных системах ТЕМА 3. ОРГАНИЗАЦИЯ УТИЛИЗАЦИОННЫХ СИСТЕМ ТЕПЛО- И ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ 3.1. Утилизация теплоты в системах тепло- и хладоснабжения промышленных предприятий 3.2. Организация централизованной утилизационной системы тепло- и хладоснабжения 3.3. Оценка эффективности принимаемых решений Цели дисциплины Целью преподавания дисциплины является приобретение студентами знаний о системном подходе к объектам энергетики, классификации и иерархии теплоэнергетических систем, о способах описания их структуры, моделировании стационарных и динамических режимов, а также о методах синтеза оптимальных теплоэнергетических систем в отрасли. Задачи дисциплины Задача изучения дисциплины состоит в получении базовых знаний о перспективах развития систем теплоэнергоснабжения промышленных предприятий, обеспечивающих централизованное производство, преобразование, распределение и регулирование потоков энергоносителей. В результате изучения дисциплины студенты должны знать: принципы рациональной организация теплоэнергетических систем промышленных предприятий. В результате изучения дисциплины студенты должны уметь: описывать энерготехнологические комбинированные теплотехнологии для одновременной выработки технологической и энергетической продукции на одной и той же установке или производственном участке, а также методы оценки их эффективности. Связь с предшествующими дисциплинами Теоретические основы теплотехники, Котельные установки и парогенераторы, Топливо и теория горения, Технологические энергоносители предприятий, Промышленные теплообменные процессы и установки, Источники и системы теплоснабжения. Вводная лекция по дисциплине «Теплоэнергетические системы промышленных предприятий» Современные промышленные предприятия являются крупнейшими потребителями топливно-энергетических ресурсов, вследствие чего статья расходов на энергоресурсы в структуре себестоимости выпускаемой продукции - одна из основополагающих. Размер этой статьи зависит от номенклатуры выпускаемой продукции, оборудования и того, насколько эффективно организованы системы взаимодействия источников энергетических ресурсов (ЭР) и их потребителей. В системе взаимодействия источник - потребитель энергоресурсов «узким» местом является стадия потребления и, как бы ни эффективно работал источник, результирующие показатели будут сведены к минимальным за счет неэффективного использования ЭР. Поскольку промышленные предприятия функционируют достаточно длительный период и не всегда имеется возможность изменения конструкций основного технологического оборудования, наиболее привлекательным направлением совершенствования энергохозяйства является внедрение мероприятий, позволяющих достичь желаемого эффекта без существенного изменения режимов работы основных технологических систем. Это становится возможным при создании дополнительных узлов и под систем, на максимально возможном уровне использующих первичные и вторичные ЭР. Теплоэнергетическая система промышленного предприятия (ТЭС ПП), предназначенная для обеспечения потребителей энергоресурсами всех требуемых видов, соответствующего качества и в необходимом количестве в любой момент времени, представляет собой сложное образование, объединяющее не только внешние и внутренние источники ЭР предприятия, но также и потребителей. Кроме того, ТЭ СПП должна гибко подстраиваться в течение любого наблюдаемого отрезка времени под изменяющийся режим энергопотребления и делать это с наименьшими издержками. Одним из основных направлений повышения эффективности взаимодействия источник – потребитель ЭР является комбинирование энерготехнологических процессов, в рамках которого одна и та же промышленная установка или система одновременно служит производителем технологической продукции и источником ЭР. Изложение основных методических положений рациональных решений теплоэнергетических систем предприятий и их энергетических хозяйств основывается на примерах энергоемких производств химической и нефтехимической отраслей промышленности. Обязательно провести один промежуточный и итоговый тест. Требования, предъявляемые на экзамене по дисциплине - знание теории и понимание физического смысла рассматриваемых процессов в теплоэнергетических системах промпредприятий, а также умение применить теоретические знания к решению практических задач. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ ТЕПЛОЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ Современные крупные заводы энергоемких отраслей промышленности состоят из значительного числа различных технологических и энергетических установок, образующих совместно производственный комплекс. Теплоэнергетической системой промышленного предприятия (ТЭС ПП) называют систему, объединяющую на предприятии все источники различных энергоресурсов (ЭР), включая технологические агрегаты, и всех потребителей ЭР. Задачей рационального построения ТЭС ПП является организация оптимального распределения и использования различных ЭР. При этом необходимо учитывать реальные (вплоть до часовых) графики и режимы работы всех агрегатов, как генерирующих, так и потребляющих ЭР в любой отрезок времени для обеспечения надежной и экономичной работы, как отдельных агрегатов, так и предприятия в целом, определение характера и мощности необходимых резервных источников ЭР. От совершенства построения ТЭС ПП зависит народнохозяйственная эффективность использования энергоресурсов на заводе и размеры их потерь; и потребность предприятия во внешних ЭР, в капиталовложениях; влияние предприятия на окружающую среду и др. К энергоресурсам, охватываемым ТЭС ПП, относятся все их виды, имеющиеся на предприятиях, в том числе: водяной пар различных параметров от разных источников и горячая вода; горючие газы доменный, коксовый, конвертерный, нефтеперерабатывающих агрегатов, ферросплавных электропечей; физическая теплота отходящих газов различных технологических агрегатов, и остывающей продукции; теплота охлаждения конструктивных элементов технологических агрегатов; теплота расплавленных шлаков; горючие нетранспортабельные отходы производства; избыточное давление различных газов и жидкостей; сжатый воздух для технологических циклов и производственных нужд; кислород технический (О2 99,5%) и технологический (О2 95%), газообразный и жидкий. Абсолютный и относительный (аналитический) вывод из потребления перечисленных видов ЭР могут сильно различаться на различных предприятиях, так же, как и реальные графики их выходов и потреблений. Поэтому, для правильного построения и организации эксплуатации ТЭС ПП необходимо знать энергетические характеристики технологических агрегатов, а так же основы соответствующих технологических циклов. Есть ряд путей экономичности топлива на предприятиях. 1. Применение энергосберегающей технологии и энергетического совершенствования технологических агрегатов и циклов. Их внедрение при том же эффекте в 3-4 раза дешевле, чем разработка новых нефтяных и газовых месторождений. 2. Повышение КПД (снижение удельных расходов топлива) энергетических установок и агрегатов, как генерирующих, так и потребляющих различные энергоресурсы, например, КПД котлов, турбин, компрессоров, кислородных установок, оборудования утилизационных установок. 3. Оптимальное, с народнохозяйственной точки зрения, построение ТЭС ПП. Оптимизация построения ТЭС ПП необходима для решения следующих задач: обеспечение бесперебойного снабжения потребителей всеми видами энергоресурсов нужных параметров в любой отрезок времени; максимальное и наиболее эффективное использование всех внутренних энергоресурсов, определение оптимального направления их использования; обеспечение балансирования приходов и расходов энергоресурсов в любой отрезок времени с учетом реальных графиков работы производственных агрегатов с целью снижения, а в пределе и исключения потерь различных энергоресурсов из-за дебалансов. Есть заводы, на которых потери доменного газа из-за дебалансов достигают более 10%; наиболее экономичное резервирование источников энергоресурсов по предприятию; оптимальный выбор энергоносителей для тех или иных производств, в частности, оптимальное распределение различных видов топлива по потребителям в зависимости от его пирометрических и других характеристик; принцип. возможность комплексной оптимизации, как энергохозяйства предприятий в целом, так и отдельных установок по типам и параметрам; выявление наиболее вероятных и длительных режимов работы тех или иных установок и агрегатов, что важно для правильного выбора их типоразмеров, режимных характеристик и др.; определение наиболее экономичных и эффективных связей ТЭС ПП с другими предприятиями и установками, и общими условиями энергоснабжения района. Правильно построенная ТЭС ПП является, кроме того, базой для оптимального построения топливно-энергетического баланса региона. Сейчас общепризнано, что любую оптимизацию сложных комплексов необходимо вести на основе системного подхода. По существу, пока нет полноценного критерия степени совершенства (рациональности) построения ТЭС ПП. Какая-либо ТЭС ПП может не иметь прямых потерь по всем энергоресурсам, но быть далеко не оптимальной с народнохозяйственной точки зрения, т.к., например, расходует высококачественное дефицитное горючее или высокотемпературную теплоту для покрытия потребностей в низкотемпературной теплоте. ТЕМА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ТОПЛИВНО·ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ 1.1. Структура энергопотребления предприятий энергоемких отраслей промышленности В Российской Федерации на долю промышленного теплопотребления приходится более 50 % всех произведенных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). Наиболее крупными потребителями ТЭР являются предприятия и производственные комплексы металлургической, нефтехимической и химической отраслей промышленности. Структура затрат энергетических ресурсов различных видов на производство технологической продукции зависит от профиля предприятия и требований технологического регламента, который определяет номенклатуру, параметры и режимы поступления ЭР (рис. 1.1-1.3). Для обеспечения потребностей предприятия в тепловых ЭР требуемого качества и в необходимом количестве организуются теплоэнергетические системы. Режим работы технологического оборудования в течение определенных периодов времени (года, месяца, недели и т.п.) изменяется по закономерным или случайным причинам. Рис. 1.1. Крупнейшие потребители Рис. 1.2. Крупнейшие потребители природного топлива в России тепловой энергии в России В связи с этим меняется режим потребления ЭР. Этот фактор следует учитывать при подборе оборудования источников энергоснабжения и разработке теплоэнергетических систем, так как от него в немалой степени зависит энергетическая и экономическая эффективность взаимодействия технологических потребителей и источников энергоснабжения, а также надежность и безопасность эксплуатации рассматриваемых систем. Теплоэнергетические системы промышленного предприятия представляют собой комплекс установок и агрегатов, генерирующих, транспортирующих и распределяющих тепловые энергоресурсы между потребителями, сосредоточенными на территории предприятия. При необходимости ТЭС ПП могут снабжать энергоресурсами присоединенных внешних потребителей (мелкие предприятия, объекты жилищно- коммунального сектора и т.п.). Рис. 1.3. Крупнейшие потребители электрической энергии в России Согласно принятой классификации промышленные теплотехнологии разделяются на три группы по уровню температуры, который необходимо поддерживать для проведения основного технологического процесса: I группа - высокотемпературные (t> 500 0С); II группа - среднетемпературные (160 ≤ t ≤ 500 0С); III группа - низкотемпературные (t < 160 0С). Теплотехнологии металлургической отрасли промышленности относятся к высокотемпературным и характеризуются большим выходом вторичных энергоресурсов (ВЭР), в том числе горючих, которые используются в качестве топлива, замещая природные энергоресурсы. Анализу методов решений, принимаемых для утилизации горючих и тепловых ВЭР металлургических производств и организации эффективных энерготехнологических комплексов посвящено множество работ. Однако предложенные методы решения нельзя в полной мере применить на предприятиях других отраслей промышленности из-за специфики данных производств. В нефтехимической промышленности высокотемпературными технологиями, в частности, являются: производство этилена, пропилена и изопрена методом двухстадийного дегидрирования н-пентана. Примеры организации теплотехнологических систем этих производств рассматриваются ниже. Производство этилена и пропилена. Производство этилена в России по объемам выпускаемой продукции занимает первое место. На основе этилена вырабатываются полиэтилен, оксид этилена, синтетический этиловый спирт, этиленпропиленовый каучук, винил-хлорид, винилацетат и др. В состав крупных нефтехимических комбинатов повсеместно включаются установки пиролиза углеводородов, позволяющие получить этилен, пропилен и попутные полупродукты – углеводороды, которые являются исходными компонентами при производстве других видов нефтехимической продукции. Принципиальная схема отделения пиролиза представлена на рис. 1.4. Углеводородное сырье – прямогонный бензин – подается в реактор, который представляет собой многопоточную трубчатую градиентную печь повышенной теплонапряженности (до 100 кВт/м2). Производительность пиролизной установки – 40 т/ч. Годовое число часов использования установленной мощности – 8000 ч/год. Температура проведения реакции пиролиза поддерживается на уровне 840÷860 0С при условии продолжительности пребывания углеводородов в зоне реакции в течение 0,3÷0,5 с. Для подавления процессов коксообразования и регулирования продолжительности пребывания углеводородов в зоне реакции к сырью подмешивается водяной пар, который поступает от испарительного аппарата. В закалочно-испарительном аппарате (ЗИА) происходит быстрое охлаждение реакционной парогазовой смеси до температуры 350÷400 0С за счет испарения питательной воды. Более глубокое охлаждение не рекомендуется, так как именно этот режим позволяет достичь температуры более 250 0С на стенке теплопередающих трубок со стороны пиролизного газа в целях предотвращения отложений углеводородов на поверхности теплообмена. Термическое сопротивление таких отложений очень высоко, способно значительно уменьшить теплопроизводительность ЗИА и сократить межремонтный период. Питательная вода, направляемая в ЗИА, предварительно нагревается до 102÷104 0С в конвективной части печи пиролиза 2 за счет охлаждения отходящих дымовых газов. Пиролизный газ после ЗИА поступает в отмывную колонну 15, где из него удаляются кокс и высококипящие углеводороды. В верхней части колонны отмывка производится орошением рабочей области бензиновой фракцией, а в нижней части колонны – орошением поглотительным маслом. В нижней части колонны поддерживается температура на уровне 175÷180 0С посредством охлаждения орошающей жидкости во внешних теплообменниках 14, в которых охлаждающей средой являются подогреваемые технологические потоки или промышленная вода. С охлаждаемой тарелки отмывной колонны конденсат высококипящих углеводородов отводится и вместе с избытком поглотителя направляется в колонну 13 для отделения отпариванием компонентов, кипящих при низких температурах. Из колонны 15 пиролизный газ, имеющий температуру приблизительно 100 ОС, отводится в колонну 10 для отделения компонентов бензиновой фракции и конденсации водяного пара. Охлаждение газа организовано за счет циркуляции воды, которая, в свою очередь, охлаждается в системе теплообменников 9, отдавая теплоту нагреваемым технологическим потокам отделения пиролиза. Доохлаждение циркулирующей жидкости до расчетной температуры производится в одном из теплообменников 9 оборотной водой из градирни. В нижней части колонн 10 поддерживается температура 80 0С, в верхней части – 30÷35 0С. Отделенный в колонне 10 конденсат водяного пара направляется в испарительный аппарат 7 и подается в печь 2 для разбавления сырья. Бензиновые фракции возвращаются на орошение в колонну 15 или после очистки в отпарной колонне 12 отправляются на склад. Пиролизный газ из колонны 10 поступает в турбокомпрессор 5, имеющий пять ступеней сжатия. Привод компрессора осуществляется от турбины 4. Рабочим телом турбины является пар из ЗИА, перегретый в пароперегревательной печи 3. Давление пара достигает 13 МПа. Турбина имеет один регулируемый отбор пара среднего давления для потребностей предприятия. Структура теплового баланса пиролизной печи представлена в табл. 1.1. Потери теплоты составляют 63,8%. Основные статьи потерь – с уходящими дымовыми газами и неиспользуемая физическая теплота продуктов реакции. Структура теплового баланса печной секции пиролизной установки Таблица 1.1 Приход теплоты, % Расход теплоты, % Теплота сгорания топлива 96,З Теплота пиролизного газа, всего 61,4 Теплота сырья 2 В том числе, утилизируемая В ЗИА ЗО Теплота пара, введенного для 1,7 разбавления сырья Теплота продуктов сгорания то плива, затраченная на подогрев 6,2 питательной воды Потери с уходящими дымовыми 25 газами Потери в окружающую среду 7,4 Всего Всего 100 100 За счет установки дополнительных поверхностей нагрева в конвективной части печи достигается повышение энергетической эффективности работы пиролизной установки. Температура уходящих из печи дымовых газов снижается до 180 0С и, как следствие, уменьшаются потери теплоты. Нагрузка пароперегревательной печи вытесняется, что приводит к экономии топочного газа. Более глубокая степень утилизации ВЭР дымовых газов может быть достигнута дополнительным подогревом питательной воды перед подачей ее в ЗИЛ и установкой котла-утилизатора для получения пара среднего давления. Наиболее эффективным является второе направление, так как первое направление ограничено количеством утилизируемой теплоты. Температура питательной воды на выходе из экономайзера пароперегревательной печи достаточно высока, а ее нагрев перед ЗИА допустим только до значения t = ts - (2÷3) 0С. Здесь ts - температура насыщения, 0С. Пиролизный газ представляет собой смесь компонентов газов и углеводородных фракций, которые выделяются на стадиях разделения и очистки. Принципиальная схема газоразделения абсорбционноректификационным методом представлена на рис. 1.5. Выделение фракций происходит ступенчато. Пиролизный газ перед поступлением в абсорбционно-отпарную колонну 3 предварительно охлаждается в теплообменнике, где хладагентом является аммиак. В колонне 3 содержащиеся в пиролизном газе углеводороды С2 поглощаются абсорбентом. Абсорбентом является бутан-бутиленовая фракция, остатком – метано-водородная фракция (МВФ). Верхняя часть колонны охлаждается аммиаком, нижняя часть обогревается водяным паром давлением 0,8-·1,2 МПа (табл. 1.2). Насыщенный абсорбент последовательно проходит колонну 4, где выделяется этан-этиленовая фракция, и колонну 5, где выделяется пропанпропиленовая фракция (ППФ). Верхняя часть колонны 4, откуда отводятся пары этан-этиленовой фракции, охлаждается аммиаком. После этого пары перегреваются В выносном теплообменнике греющим паром и осушаются в колонне 2. Рабочие параметры колонн системы газоразделения абсорбционноректификационным методом Таблица 1.2 Колонна Параметр 1 3 4 5 Температура верхней части, 0С -16 -20 О 40 Температура куба, 0С -3 60 112 100 Давление, МПа 2,2-2,4 3,5 2,8-3,3 1,8-2,0 Рис. 1.5. Принципиальная схема разделения продуктов пиролиза абсорбционно-ректификационным методом В колонне 1 происходит разделение этан-этиленовой фракции на компоненты – этан и этилен. Дефлегматор колонны 5 охлаждается оборотной водой. Из нижней части этой колонны отводится абсорбент, который после ступенчатого охлаждения в водяном и аммиачном теплообменниках возвращается в колонну 3. В процессах газоразделения используются следующие энергоносители: водяной пар для обогрева нижних частей колонн 3, 4, 5; холод температурой -20 0С; -16 0С; 0 0С; для поддержания которой используются аммиак и ППФ; охлаждающая вода из системы оборотного водоснабжения; электроэнергия для поддержания требуемого давления в аппаратах и восполнения гидравлических потерь в системе при транспортировке технологических потоков и энергоносителей. Производство изопрена методом двухстадийного дегидрирования. В теплотехнологии получения изопрена методом двух стадийного дегидрирования исходным сырьем является н-пентановая фракция, выделяемая из прямогонного бензина, или изопентановая фракция, поступающая с нефтеперерабатывающих заводов на заводы-производители изопрена [7-9]. При использовании н-пентановой фракции в производственный комплекс включается дополнительная стадия изомеризации пентана в изопентан. Основные этапы получения изопрена методом двух стадийного дегидрирования представлены на рис. 1.6. Наиболее энергоемкими стадиями этого процесса являются изомеризация пентана, дегидрирование изопентана в изоамилены и дегидрирование изоамиленов в изопрен. Эффективное использование тепловой энергии влияет на рентабельность всего технологического комплекса и себестоимость выпускаемой продукции, так как здесь сосредоточены основные потребители водяного пара и топливного газа. Изомеризация пентана в изопентан. Принципиальная схема высокотемпературного процесса изомеризации пентана в изопентан приведена на рис. 1.7. Исходное сырье предварительно проходит стадию осушки в колонне K1, обогреваемой водяным паром через выносной кипятильник Kк1. Содержащаяся в сырье влага выделяется в дефлегматоре колонны Д1 и конденсируется в процессе охлаждения оборотной водой. Часть выделенного конденсата орошает колонну, остальное количество собирается в емкости Е1 и направляется на отпаривание углеводородов. Осушенный пентан из нижней части колонны К1 собирается в емкости Е5, куда также поступает возвратный продукт из ректификационной колонны К4 , после чего смешивается с циркулирующим в системе газом, содержащим приблизительно 85% водорода. Рис. 1.6. Основные этапы получения изопрена методом двухстадийного дегидрирования Молярное соотношение пентан: водород равно 1 : 2. В регенеративном теплообменнике РТ1 пентан испаряется и нагревается до 300 0С, охлаждая газы реакции изомеризации до 150 0С. Далее пары пентана нагреваются в трубчатой печи ТП до 450 0С и направляются в реактор Р. Реакция изомеризации ведется над платиновым катализатором в присутствии водорода, циркулирующего в системе при температуре 400÷450 0 С и давлении 4 МПа. По структурной организации и режимным характеристикам высокотемпературные процессы стадий дегидрирования имеют много общего. Принципиальная схема отделения дегидрирования изоамиленов в изопрен представлена на рис. 1.8. Производительность системы составляет 16 т/ч. Дегидрирование изоамиленов. Сырье – изоамиленовая фракция (давление 0,6 МПа, температура 20 0С) со склада направляется на станцию испарения (рис. 1.9). В теплообменнике 1 производится предварительный подогрев сырья паровым конденсатом, поступающим из испарителей 3, 4 от перегревателя 5 и при необходимости от внешних установок. Затем сырье через сепаратор 2 подается в теплообменники, где испаряется при температуре 80÷970С за счет теплоты конденсации водяного пара давлением 0,6 МПа, поступающего из общезаводского паропровода. Пары изоамиленовой фракции проходят через сепаратор и перегреваются до температуры 105 0С в теплообменнике-пароперегревателе в целях предотвращения конденсации паров при их транспорте в общем коллекторе и распределительной системе трубопроводов на входе трубчатых печей. Греющей средой в теплообменнике является водяной пар давлением 0,6 МПа. Сырье давлением 0,25 МПа из общего коллектора в начале поступает в отделение дегидрирования, затем направляется в конвекционные змеевики трубчатой печи и нагревается до температуры 450-500 0С. Перед подачей изоамиленов производится смешивание сырья с нагретым до температуры 700÷750 0С водяным паром в целях предотвращения коксообразования на поверхности теплопередающих трубок в радиантной зоне трубчатой печи. При этом насыщенный водяной пар забирается из общезаводского парового коллектора и последовательно перегревается до расчетной температуры в конвекционных и радиантных змеевиках печи. В качестве топлива в трубчатой печи используется топливная смесь, в состав которой входит абсорбционный газ (абгаз). Рис. 1.9. Принципиальная схема станции испарения сырья 1 - подогреватель; 2 - сепаратор; 3, 4 - испарители; 5 – пароперегреватель Рис. 1.10. Принципиальная схема станции подогрева топливной системы Предварительный подогрев топливной смеси перед подачей в трубчатую печь системы дегидрирования производится на отдельной станции, принципиальная технологическая схема которой приведена на рис. 1.10. Топливный газ давлением 0,6 МПа поступает на станцию из заводской сети через сепаратор 2, где отделяются тяжелые углеводороды и капли воды. Выделенный конденсат по мере накопления выдавливается из сепаратора на узел отстаивания под влиянием избыточного давления топливного газа. Затем топливный газ направляется в подогреватель 1, в межтрубное пространство которого подается продувочный конденсат из котловутилизаторов системы дегидрирования. Здесь он нагревается до температуры 80 0С. По общему коллектору топливный газ подается на горелки трубчатой печи. Для подогрева абсорбционного газа используется такая же система. Абгаз давлением 0,3 МПа и температурой 20 0С поступает на станцию через сепаратор 4, откуда направляется в подогреватель 3, нагревается до температуры 80 0С и подается в трубчатую печь. Греющей средой теплообменника 3, как и в предыдущем случае, является теплота продувочного конденсата котлов-утилизаторов. Процесс дегидрирования (см. рис. 1.8), сопровождающийся эндотермической реакцией, происходит в слое катализатора при температуре t ≤ 660 0С с образованием контактного газа. Тепловой эффект реакции зависит от структуры исходного сырья (изомера) и температурного режима дегидрирования. В среднем тепловой эффект реакции дегидрирования составляет 130 кДж/моль, или 1800 кДж/кг пропущенных изоамиленов. Благодаря эндотермической реакции температура в слое катализатора снижается на 30÷40 0С. Выход изопрена при двухстадийном дегидрировании изопентана примерно 30÷35 % (мас.) на пропущенный и 70÷80 % (мас.) на разложенный изопентан. Расход изопентана составляет 2,42 т на 1 т вырабатываемого изопрена. Контактный газ на выходе из peактopa 7.6 представляет собой парогазовую смесь температурой 530 0С, теплота которой используется в котлах-утилизаторах 8а.6, 8б.6 для получения пара давлением 0,6 МПа. В котле газ охлаждается до температуры 250 0С. Выработанный в котлах-утилизаторах водяной пар из паросборника (8п) направляется на перегрев в трубчатую печь 6.6. Для уменьшения содержания солей в паровом конденсате производится его постоянный дренаж с зеркала испарения паросборника и из нижней части котловутилизаторов в емкость Е2. Отведенный из котлов контактный газ поступает в систему скрубберов для отделения водяного конденсата. В первом скруббере 9.6 осуществляются его охлаждение и отмывка. Скруббер разделен глухой тарелкой на две части. В нижней части скруббера происходят очистка парогазовой смеси от пыли, захваченной при прохождении через слой катализатора, и охлаждение до температуры 120 0С за счет циркуляции конденсата контактного газа. Охлаждение конденсата производится в холодильниках 10а.6, 10б.6 оборотной водой. В верхней части скруббера парогазовая смесь охлаждается до температуры 118 0С. Охлаждающей средой является конденсат, выделенный из контактного газа. Он подается из емкости Е4 насосом НЕ4 через аппараты воздушного охлаждения 17а.6, 17б.6. Конденсат направляется в верхнюю часть скруббера, а затем с глухой тарелки скруббера самотеком возвращается в емкость. Избыточный конденсат контактного газа, образующегося в процессе охлаждения парогазовой смеси отводится в емкость Е2. Дальнейшее охлаждение контактного газа производится в скруббере 13.6. Охлаждающей средой является промышленная вода. Снижение температуры промышленной воды, возвращаемой в систему технического водоснабжения, от 86 до 60 ос происходит в холодильниках 14а.6, 14б.6, 14в.6, 14г.6, 14д.6 оборотной водой (ОВ) из градирни. Теплоноситель направляется в верхний и нижний маточники скруббера, где происходит контактный теплообмен с парогазовой смесью. Промышленная вода нагревается до 95÷100 0С, при этом к ее объему присоединяется часть конденсата водяного пара, содержащегося в парогазовой смеси. Промышленная вода в смеси с конденсатом контактного газа подается в систему утилизационного теплоснабжения на технологические нужды. На выходе из скруббера 13.6 парогазовая смесь имеет температуру меньше 90 0С, после чего доохлаждается в скруббере 13а.6 за счет циркуляции конденсата контактного газа. Система циркуляции конденсата организована по следующей схеме: нижняя' часть скруббера 13а.6 → насос Н 1За.6 → холодильник 14е.6 → холодильник 14.ж.6 → холодильник 14з.6 → верх скруббера 1За.6. Со всех ступеней охлаждения выделившийся конденсат отводится в емкость Е2, откуда при температуре 90 0С насосом НЕ2 подается в холодильник 16, где охлаждается до температуры 40 0С оборотной водой, а затем сбрасывается в химически загрязненную канализацию. Конечная температура очищенного контактного газа 60 0С. Структура энергозатрат на производство 1т изопрена Энергоресурс Топливо Пар Горячая вода Холод пропановый Холод аммиачный Вода оборотная Вода осветленная Очистка стоков Электроэнергия Всего Доля в структуре общих энергозатрат, % 6 56,19 3,23 4,37 2,22 12,61 0,26 1,52 13,6 100 Таблица 1.3 Доля энергоресурсов в фактической себестоимости изопрена, % 35 Выделение, разделение и очистка продуктов реакции производятся в системах, объединяющих десятки ректификационных колонн (см. рис. 1.5). Температура, поддерживаемая в нижних частях колонн различного назначения, установленных на этих стадиях, варьируется в пределах от 180 до 55 0С. Температура в верхних частях колонн изменяется в пределах от 90 до 40 0С. Кроме этого для конденсации продуктов и полупродуктов используются оборотная вода, охлажденная до 7 0С, аммиачный и пропановый холод температурой -12, -20, -35 0С. В качестве греющих сред на этих стадиях используются водяной пар давлением 0,45; 0,6 и 1,3 МПа и горячая промышленная вода. Структура энергозатрат представлена в табл. 1.3. Таким образом, производство изопрена является крупным потребителем тепловой энергии, электроэнергии и холода. Производство синтетического этилового спирта прямой гидратацией этилена относится к среднеmемтераmурным теплотехнологиям нефтехимической отрасли. Температура основного технологического процесса здесь не превышает 300 0С. Сырьем для получения этилового спирта является этилен (рис. 1.11). В контактном отделении (рис. 1.1, а) осуществляется прямая гидратация этилена водяным паром. Циркуляция этилена в замкнутой системе обеспечивается компрессором 1. Давление в линии нагнетания поддерживается на уровне 7,5 МПа. Перегретый водяной пар давлением 9 МПа поступает из котельной заводской ТЭЦ. Смешивание с этиленом осуществляется в тройнике 5 в соотношении этилен: пар как 1:0,7. Водяной пар, подмешиваемый к этилену, позволяет предотвратить коксообразование и полимеризацию углеводородов на теплопередающих поверхностях реактора 8. Рис. l.ll. Принципиальная схема производства синтетического этилового спирта прямой гидрацией этилена а - контактное отделение; б - отделение ректификации; 1 - циркуляционный смешения компрессор; 2 теплообменник; 3 - подогреватель; 4 - разделитель; 5 - тройник; 6, 7 - котлы-утилизаторы; 8 - реактор; 9 - дефлегматор; 10, 11 - отпарные колонны; 12 - сборная емкость; 13 - ректификационная колонна Процесс гидратации этилена ведется в присутствии катализатора ортофосфорной кислоты. Продуктом реакции является парогазовая смесь, из которой затем отделяется водно-спиртовой конденсат. Реакция гидратации этилена - экзотермическая, Т.е. идущая с выделением теплоты. Тепловой эффект реакции составляет 44 кДж/моль спирта. Парогазовая смесь на выходе из реактора нейтрализуется подщелоченным водно-спиртовым конденсатом. В аппаратах 2, 6, 7 происходят охлаждение парогазовой смеси и конденсация содержащихся в ней паров воды и спирта. Теплообменники 2 установлены для регенерации теплоты охлаждаемых технологических продуктов (спирта), а также других технологических потоков (парогазовой смеси и водно-спиртового конденсата) в целях предварительного подогрева паров этилена. В теплообменнике 3, обогреваемом водяным паром давлением 9 МПа, осуществляется догрев сырья до расчетной температуры 230250 0С. В котлах-утилизаторах теплота охлаждаемого реакционного газа используется для выработки насыщенного водяного пара давлением 0,45 и 0,25 МПа. В отделении ректификации (рис. 1.11, б) про изводятся выделение и очистка целевого продукта. В ректификационной колонне 13 осуществляется выделение воды и спирта из водно-спиртового конденсата. В отпарных колоннах 10, 11 из концентрированного спирта выделяются легкие углеводороды. Нагревание нижних частей колонн 10, 11 и 13 производится встроенными кипятильниками при температуре 115÷135 0С. Греющей средой является водяной пар давлением 0,45 МПа. Охлаждающей средой дефлегматоров колонн 9 служит оборотная вода из градирни. Структура энергозатрат на производство этилового спирта приведена в табл. 1.4, структура теплового баланса данного производства – в табл. 1.5. Таким образом, производство синтетического этилового спирта является не только крупным потребителем тепловых энергоресурсов, но и источником ЭР в виде пара низкого давления, который используется на нужды отделения ректификации и отпускается внешним потребителям. Структура энергозатрат на производство 1 т синтетического этилового спирта прямой гидратации этилена Таблица 1.4 Энергоресурс Топливо (метановодородная фракция) Пар давлением: 0,8-1,3 МПа 9МПа Вода оборотная Электроэнергия Прочие энергоносители Всего Доля в структуре общих энергозатрат, % Доля энергоресурсов в фактической себестоимости изопрена, % 9 11 40 9 26 5 100 46 Структура теплового баланса производства синтетического этилового спирта прямой гидратацией этилена Таблица 1.5 Приход теплоты, % Расход теплоты, % Пар водяной 59,2 Отпуск водяного пара от 33,6 котлов-утилизаторов Теплота свежего этилена с 2,9 Теплота сконденсированных 11,7 учетом его нагрева при сжатии в продуктов компрессоре Теплота, полученная при 2,3 Теплота, отведенная с 13,4 экзотермической реакции оборотной водой Регенерация и возврат теплоты в 35,6 Регенерация и возврат теплоты 35,6 замкнутой системе в замкнутой системе Всего: 100 Всего: 100 Производство триацетатцеллюлозной основы пленочных кинофотоматериалов относится к нuзкоmемпературным технологиям химической промышленности. Температура основного процесса здесь не превышает 11О 0С. Производство триацетатцеллюлозной основы (ТАЦ-основы) кинофотоматериалов является важным этапом в процессе получения конечной продукции данного вида, поскольку от качества ТАЦ-основы непосредственно зависит качество кинофотоматериалов, ТАЦ-основа представляет собой прозрачную пленку различной толщины. На пленку наносятся специальное покрытие и лак. Производство ТАЦ-основы включает в себя этапы: приготовление ТАЦ раствора; полив ТАЦ-основы; досушка ТАЦ-пленки и нанесение специальных покрытий в сушильной камере (камере досушки). На первом этапе триацетат целлюлозы, представляющий собой волокнистый материал, в течение 12-16 ч растворяется в лопаточном смесителе С (рис. 1.12) многокомпонентным растворителем (метиленхлорид, бутанол, метанол и пластифицирующие добавки). Затем раствор перекачивается в емкости, откуда подается в отливочную машину ОМ В отливочной машине (второй этап) раствор продавливается через устройство с узким щелевидным отверстием (фильеру), подается на полированную медную ленту и сушится проводимой в машину нагретой пароазотной смесью (ПАС). Из отливочной машины отводятся пары растворителя вместе с пароазотной смесью и ТАЦ-пленка, содержащая 18÷20 % остаточного растворителя. Скорость производства ТАЦ-пленки составляет 2÷8 м/мин в зависимости от длины медной ленты (30÷80 м). Далее пленка подается на досушку. Растворители с ПАС направляются в 'шахту глубокого охлаждения Т1, где происходит частичная конденсация паров растворителя. Затем поступает в калорифер Т2, в котором подогревается паром до 70 0С, и снова подается в ОМ, а сконденсировавшийся растворитель направляется на регенерацию. В камере досушки КД осуществляется сушка пленки до конечнoгo содержания растворителя в ней 2,5÷3 % и наносятся специальное покрытие и лак (третий этап). Эта камера состоит из большого числа отдельных секций, в которых выдерживается строго определенный температурный режим. Из первых двух секций КД пары растворителя отводятся вместе с ПАС в шахту глубокого охлаждения Т1. Для обеспечения заданного режима обработки пленки в КД подается ПАС, подогретая в калорифере ТЗ до температуры, соответствующей требованиям регламента. Температура сушильного агента в различных секциях колеблется в диапазоне 60÷110 0С, его расход при переходе от секции к секции также изменяется. Отведенная из последних секций КД пароазотная смесь сбрасывается в атмосферу. Основные характеристики технологических и энергетических потоков теплотехнологической схемы производства ТАЦ-основы кинофотоматериалов приведены в табл. 1.6. Рис. 1.12. Упрощенная принципиальная схема производства ТАЦ-основы кинофотоматериалов Основные характеристики потоков производства ТАЦ-основы кинофотоматериалов Таблица 1.6 Аппарат ОМ тl Т2 ТЗ КД Номер потока 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Наименование потока ПАС Раствор » ПАС » ПАС » » Растворитель CaCI2 » Пар Конденсат ПАС ПАС Пар Конденсат ПАС » Температура Давление, , ос МПа 70 0,1 25 0,1 50 0,1 50 0,12 95 0,12 88,9 0,12 -11,5 0,115 -11,5 0,115 -11,5 0,11 -23 0,11 -18 0,1 160 0,46 70 0,46 20 0,11 ]2,8 0,11 160 0,46 70 0,46 106,5 О,] 95 0,1 Расход, кг/с 0,575 0,0778 0,0224 0,93 0,228 1 ,158 0,875 0,228 0,0575 7,566 7,566 0,031 0,031 0,763 0,991 0,036 0,036 0,99] 0,763 В структуре энергозатрат этого производства значительную долю занимает потребление электроэнергии - более 70 %. Она используется для привода различных механизмов: мешалок на стадии приготовления раствора, двигателя ленточного конвейера в отливочной машине, направляющих роликов для перемещения пленки в камеру досушки, насосов для прокачивания исходного раствора, электрического привода холодильной установки и т.п. Следует отметить, что раствор триацетата целлюлозы очень вязкий, поэтому для преодоления гидравлического сопротивления трубопроводов подачи и распределения раствора между машинами, а также сопротивления фильеры отливочной машины требуется устанавливать насосы высокой мощности. Остальная доля затрат энергии - менее 30 % - приходится на тепловой энергоноситель - водяной пар давлением 0,6 МПа. 1.2. Графики тепловых нагрузок промышленного предприятия Режим работы технологических систем подвержен изменениям, которые могут носить как закономерный, так и случайный характер, быть длительными или кратковременными, но происходить они должны с минимальными затратами энергоресурсов, не нанося ущерба надежности эксплуатации оборудования и связанных с ним систем. Пренебрежение этим фактором обычно приводит к просчетам при выборе оборудования источников энергоснабжения и необоснованному перерасходу топлива для обеспечения требуемой нагрузки. Высокотемпературные промышленные теплотехнологии являются не только крупными потребителями топливно-энергетических ресурсов, но и источниками горючих и тепловых ВЭР. Однако выход ВЭР находится в непосредственной зависимости от режима работы основных агрегатов – источников ВЭР, в первую очередь – топливосжигающих установок (печей, высокотемпературных реакторов и пр.). Поэтому в период снижения производительности агрегатов-источников ВЭР на предприятии возникает дефицит тепловых энергоресурсов, восполнять который должны внешние источники тепловых энергоресурсов – промышленные ТЭЦ или котельные. На предприятиях, ориентированных на использование собственных ВЭР, проблема устранения кратковременных и длительных дисбалансов стоит особенно остро и требует эффективных решений не только для восполнения дефицита тепловых энергоресурсов, но и для использования их избытка. Часть вспомогательного оборудования предприятий размещается на открытых площадках, что приводит к потерям тепловой энергии в окружающую среду, которые следует восполнять. Для того чтобы оценить действительную потребность предприятия или его подразделений в тепловых энергоресурсах, необходимо провести анализ графиков теплопотребления в определенные периоды работы – в течение суток, недели, месяца, года. Характеристиками равномерности тепловых нагрузок в течение года являются число часов использования максимальной тепловой нагрузки 't, ч/год, и коэффициент К, представляющий собой отношение среднесуточной нагрузки к максимальной суточной за год. По этим характеристикам промышленные предприятия разделяются на три группы: первая τ = 4000-5000 ч/год; К = 0,57-0,68; вторая τ = 5000-6000 ч/год; К = 0,6-0,76; третья τ ≥ 6000 ч/год; K ≥ 0,76. Потребители тепловой энергии на промышленных предприятиях также подразделяются на технологические, отопительно-вентиляционные и санитарнотехнические (горячего водоснабжения). Различают сезонных и круглогодичных потребителей: технологические и санитарно-технические потребители относятся к круглогодичным, отопительновентиляционные - к сезонным. К первой группе относятся предприятия, например, легкой промышленности и машиностроения, в структуре затрат тепловой энергии которых более 40 %, имеют нагрузки систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. Соответственно затраты теплоты на технологию составляют менее 60 %. К третье группе относятся предприятия с превалирующей долей затрат тепловой нагрузки на технологические нужды - более 90 %. Затраты теплоты потребителями других категорий очень малы - менее 10 % (табл. 1.7). Предприятия химической и нефтехимической отраслей относятся ко второй группе. Доля пара в структуре суммарного теплопотребления на этих предприятиях является превалирующей. Другие виды теплофикационных нагрузок - отопительная, вентиляционная и горячего водоснабжения - составляют 15-20 %. Расход теплоты на технологические нужды Таблица 1.7 Отрасль промышленности Доля расхода теплоты на технологические процессы, % Группа Электротехническая 50-60 1 Стройматериалов 50-80 1 Пищевая 65-80 2 Текстильная 65-90 2 Химическая 70-80 2 Нефтеперерабатывающая 90-98 3 Суточный график расхода пара на нефтехимическом предприятии в летний и зимний периоды работы представлен на рис. 1.13. Месячные графики теплопотребления для этого же предприятия _ на рис. 1.14. Режим работы предприятия - непрерывный, круглосуточный. Нефтехимическое предприятие включает в себя производственные подразделения, выпускающие этилен и пропилен, синтетический этиловый спирт, бутиловый спирт, этиленпропиленовые каучуки, α-метилстирол, изопропилбензол, фенол, ацетон и этиленпропиленовую фракцию. Суточный и месячный графики этого предприятия подвержены кратковременным колебаниям. Относительное расхождение суточной максимальной паровой нагрузки Dmax и суточной минимальной Dmin составляет 𝛥= 𝐷𝑚𝑎𝑥 𝐷𝑚𝑖𝑛 = 1.05 − 1.07 Относительное расхождение максимальной месячной тепловой нагрузки Qmax и минимальной Qmin несколько выше: Δ= Ǭmax Ǭmin = 1.07 − 1.09 (1.1) усредненной (1.2) Рис. 1.13. Суточные графики расхода пара на нефтехимическом предприятии: 1 - давление пара 9,4 МПа; 2 – 2,1 МПа; 3 – 1,12 МПа; –Δ– - зимнее потребление пара давлением 9 4 и 2 1 МПа; –▲– - зимнее потребление пара давлением 1,12 МПа; –––– - летнее потребление пара Рис, 1.14. Графики тепловых нагрузок нефтехимического предприятия: Ǭ = Q/Qmax (обозначения те же, что на рис. 1.13) Выявленные колебания нагрузки являются случайными. Они связаны с факторами, предсказать влияние которых не представляется возможным. К числу таких факторов относятся: изношенность оборудования, изменения производительности системы и состава исходного сырья и т.д. Рис. 1.15. Графики тепловых нагрузок нефтехимического предприятия: 1 - давление пара 9,4 МПа; 2 - 2,1 МПа; 3 - 1,12 МПа Как правило, минимальная годовая нагрузка наблюдается в летний период. Исключение составляет временной отрезок, когда основное технологическое оборудование останавливается на плановый ремонт. Годовой график тепловой нагрузки Q по продолжительности (рис. 1.15) показывает, что расхождение относительной максимальной тепловой нагрузки Q тах и минимальной нагрузки Q min значителен Δ= Ǭmax Ǭmin = 1.8 − 2.5 (1.3) в уравнениях (1.2) и (1.3) и на рис. 1.14 и 1.15 приняты следующие обозначения: Ǭ = Q/Qmax – суммарная относительная тепловая нагрузка предприятия; Q – текущая тепловая нагрузка, кВт; Qmax - максимальная тепловая нагрузка в течение года, кВт. По данным исследований большого числа предприятий был построен график усредненной тепловой нагрузки (рис, 1.16). Наибольшая степень расхождения минимальной и максимальной нагрузок (Δ > 10) отмечена на машиностроительных предприятиях. Основной причиной этого является изменение производительности технологических систем (рис. 1.17), а также влияние температуры окружающей среды. Так, в летний период повышаются температура воздуха и сырой воды, используемой в технологических и энергетических системах, снижаются потери теплоты в теплоиспользующем оборудовании, отсутствует отопительно-вентиляционная нагрузка, уменьшается нагрузка горячего водоснабжения и т.д. На рис. 1.17 представлены графики тепловой нагрузки и выпуска ̅ = П /Пmax - суммарный относительный технологической продукции, где П выпуск продукции; П - текущий выпуск технологической продукции, кг/с; Пmax максимальный выпуск технологической продукции, наблюдаемый в течение тех = 𝑄 тех /𝑄 тех ̅̅̅̅̅̅ года, кг с;𝑄 𝑚𝑎𝑥 относительная нагрузка на технологические теплоиспользующие аппараты; Qтех - текущая тепловая нагрузка на технологические аппараты, кВт; Qmaxтех максимальная наблюдаемая в течение года тепловая нагрузка на технологические аппараты, кВт. Рис. 1.16. Графики тепловых нагрузок промышленных предприятий: ––– машиностроительных; – – – целлюлозно-бумажных – - – - – химических комбинатов; - - - - - - - - нефтеперерабатывающих заводов комбинатов; ̅ в производстве Рис. 1.17. График тепловой нагрузки 𝑄̅ и выпуска продукции П фенола и ацетона: ̅̅̅̅̅̅ 𝑄 тех - расход теплоты на технологию; τ- время работы предприятия в течение года, мес График тепловой нагрузки на технологические аппараты ̅̅̅̅̅̅ 𝑄тех практически ̅. повторяет график выпуска технологической продукции П График суммарной тепловой нагрузки 𝑄̅ имеет отличия. В те месяцы года, когда присутствует отопительно-вентиляционная нагрузка, ее величина значительно превышает ̅̅̅̅̅̅ 𝑄тех (январь-май и октябрь-декабрь). Когда отопительно-вентиляционная нагрузка отсутствует, показатели тепловых нагрузок 𝑄̅ и ̅̅̅̅̅̅ 𝑄тех различаются всего на 3-4 %. Сентябрь - месяц планового ремонта технологического оборудования, поэтому на всех линиях графика наблюдается резкое падение значений. 1.3. Вторичные энергетические ресурсы теплотехнологии В промышленных теплотехнологиях обычно образуются ВЭР следующих видов: горючие, тепловые или избыточного давления. Горючие ВЭР представляют собой отходы технологии, которые могут использоваться в топочных процессах, замещая природное топливо. Преимущественно это горючие газы, образующиеся в различных технологических агрегатах - доменных, коксовых и сажевых печах, в колоннах разделения углеводородов нефтехимических производств и Т.п. К ВЭР такого вида относятся также и сырьевые отходы: щепа, древесная стружка, опилки, смолы и пр. В последнем случае следует различать энергетическую и технологическую утилизацию отходов, когда они потребляются не как топливо, а как исходный материал для производства технологической продукции, например прессованных древесно-стружечных плит, брикетов и т.п. При технологической утилизации сырьевые отходы нельзя учитывать как энергетический ресурс, поскольку они не участвуют в общем топливноэнергетическом балансе предприятия. Горючие ВЭР обычно используются в качестве топлива, замещая природные топливные ресурсы. Часто потоки горючих ВЭР имеют высокую температуру. Для комплексного использования горючей составляющей ВЭР и содержащейся в них теплоты с целью выработать полноценные энергетические ресурсы разработаны специальные конструкции котлов-утилизаторов с встроенными топками. Тепловые ВЭР образуются в процессах: охлаждения технологических, побочных и отбросных продуктов производства, которые могут находиться в газообразном, жидком и твердом состоянии; отвода теплоты конструктивных элементов, в том числе теплоты экзотермических химических реакций и т.п. Возможность эффективного использования тепловых ВЭР непосредственно зависит от их температуры. Однако основная доля таких ВЭР образуется в средне- и низкотемпературных процессах (табл. 1.8). Их использование на предприятии ограничено и связано со значительными материальными затратами на дополнительное оборудование и организацию утилизационных систем. Часто затраты оказываются соизмеримыми с экономическим эффектом энергосберегающего мероприятия, поэтому выбор окончательного решения, направленного на утилизацию ВЭР, производится на основе технико-экономического анализа с учетом перспектив развития топливно-энергетического баланса предприятия. Распределение теплоты между потребителями, сосредоточенными на территории промышленного предприятия Таблица 1.8 Потребители Общее потребление пара и горячей воды, % Температурный уровень тепловосприятия до 150 0С более 150 0С Технологические 65 55 10 Отопительновентиляционные 25 25 - Горячего водоснабжения 10 ]0 - Всего 100 90 10 Промышленные производства характеризуются разнообразием технологических процессов и установленного оборудования, что приводит к образованию ВЭР различных параметров и физико-химического состава. Состав и параметры вторичных тепловых энергоресурсов могут изменяться в зависимости от режима работы технологической установки - источника ВЭР, качества исходного сырья и многих других факторов. Соответственно изменяются теплоемкость и удельная энтальпия потоков тепловых ВЭР. Если при определении экономии топлива за счет утилизации горючих ВЭР не возникает особых сложностей, то при определении эффективности использования тепловых ВЭР возникают трудности методического характера. В частности, при определении располагаемого количества теплоты ВЭР на утилизационную установку (УУ) необходимо решить, какая температура будет выбрана в качестве уровня отсчета: температура окружающей среды tо.с или экономически оптимальная температура теплоносителя на выходе из УУ (t”опт). Пример. Технологический газообразный продукт имеет температуру tд.г = 500 С. Содержащаяся в нем теплота может быть использована в котлеутилизаторе (КУ) для выработки пара или горячей воды. 1. Располагаемое количество теплоты на КУ относительно tо.с определяется соотношением, кВт, 0 𝑄КУ = 𝐺д.г (𝑡д.г сд.г − 𝑡о.с со.с д.г ), где Gд.г = 10 - расход технологических газов, кг/с; сд.г = 2,21 - теплоемкость газов, определенная при tд.г кДж/(кг*0С); со.сд.г= 2,09 - теплоемкость газов, определенная при tо.с tд.г кДж/(кг*0С). Таким образом QКУ = 10*(500*2,21 – О*2,09) = 11050. 2. Располагаемое количество определяется соотношением, кВт, теплоты на КУ относительно tопт” где сд.гопт = 2,10 - теплоемкость газов, определенная при tопт”, кДж/(кг*0С). 0 Экономически оптимальная температура газов на выходе из КУ tопт” = 150 С. Тогда QКУ = 10*(500*2,21 – 150*2,1) = 7900. Как видно из примера, расхождение значений располагаемой теплоты в КУ составляет 30 %. При определении выхода ВЭР следует руководствоваться оптимальным технически осуществимым режимом охлаждения потока ВЭР, Т.е. производить вычисления относительно tопт”. Для того чтобы избежать неоднозначности в расчете показателей эффективности работы котлов-утилизаторов высокотемпературных технологических установок, выход ВЭР определяют не по температуре уходящих газов, а по полной энтальпии вырабатываемого энергоресурса - водяного пара. Еще одной проблемой при расчете энергоэкономической эффективности утилизационных мероприятий является учет их влияния на режим работы внешних централизованных источников теплоснабжения - котельных или ТЭЦ. При проектировании промышленных предприятий поиск режима оптимального взаимодействия нескольких источников теплоты производится на основе математического моделирования или при помощи расчетных методик. На практике режим их работы может существенно отличаться от оптимального, так как структура технологических систем и энергетического хозяйства предприятия с течением времени изменяется. Изменяются и их режимные параметры. Следствием отклонения параметров системы от оптимальных значений является рост затрат топлива и прочих энергетических ресурсов. Например, внедрение утилизационных мероприятий приводит к снижению нагрузки централизованных источников теплоты и соответственно экономии топливноэнергетических ресурсов. Однако теплогенераторы заводской ТЭЦ или котельной, рассчитанные на отпуск теплоты высоких параметров, будут работать с перерасходом топлива, и суммарный эффект существенно снизится. ВЭР избыточного давления могут быть использованы в силовых процессах, например в газовых турбинах для выработки электрической энергии, или совершения механической работы. В настоящее время на промышленных предприятиях ВЭР такого типа практически не используются, так как обычно они имеют невысокие параметры, а силовое оборудование рабочих потоков таких параметров отечественная промышленность не выпускает. Объемы образующихся ВЭР на промышленных предприятиях значительны (см. табл. 1.1). Однако из них в действительности используются лишь 40÷60 %. Основными причинами этого являются: неравномерность их выхода; необходимость резервирования тепловой энергии и установки буферного оборудования, сглаживающего возникающие дисбалансы графика теплопотребления; высокие материальные затраты на создание разветвленной утилизационной системы, объединяющей множество элементов оборудования источников и потребителей ВЭР, которые не всегда окупаются. ВЭР, использование которых экономически нецелесообразно, не учитываются и сбрасываются в атмосферу, загрязняя окружающую среду. 1.4. Проблемы и перспективы развития ТЭС ПП Современные теплоэнергетические системы промышленных предприятий состоят из трех частей, от эффективности взаимодействия которых зависят объем и эффективность потребления топливноэнергетических ресурсов. Этими частями являются: источники энергетических ресурсов, т.е. предприятия, производящие требуемые виды энергоресурсов; системы транспорта и распределения энергетических ресурсов между потребителями. Чаще всего это тепловые и электрические сети; потребители энергетических ресурсов. Каждый из участников в системе производитель - потребитель энергетических ресурсов имеет собственное оборудование и характеризуется определенными показателями энергетической и термодинамической эффективности. При этом часто возникает ситуация, когда высокие показатели эффективности некоторых из участников системы нивелируются другими, так что суммарная эффективность теплоэнергетической системы оказывается невысокой. Наиболее сложной является стадия потребления энергетических ресурсов. Уровень использования топливно-энергетических ресурсов в отечественной промышленности оставляет желать лучшего. Обследование предприятий нефтехимической отрасли показало, что фактический расход энергоресурсов превышает теоретически необходимый примерно в 1,7-2,6 раза, т.е. целевое использование энергоресурсов составляет около 43 % реальных затрат производственных технологий. Такая ситуация наблюдается на предприятиях химической, резинотехнической, пищевой и отраслей, где недостаточно или неэффективно используются тепловые вторичные ресурсы. К числу ВЭР, не находящих применения в промышленных теплотехнологических и теплоэнергетических системах предприятия, относятся в основном тепловые потоки жидкостей (t < 90 0С) и газов (t < 150 0С) (см. табл. 1.8). В настоящее время известны достаточно эффективные разработки, позволяющие использовать теплоту таких параметров непосредственно на промышленном объекте. В связи с увеличением цен на энергоресурсы интерес к ним растет, налаживается производство теплоутилизаторов и утилизационных термотрансформаторов, что позволяет надеяться на улучшение в ближайшем будущем ситуации с использованием таких ВЭР в промышленности. Как показывают расчеты эффективности энергосберегающих мероприятий, каждая единица тепловой энергии (1 Дж, 1 ккал) дает эквивалентную экономию натурального топлива в пятикратном размере. В тех случаях, когда удавалось найти наиболее удачные решения, экономия натурального топлива достигала десятикратного размера. Основной причиной этого является отсутствие промежуточных стадий добычи, обогащения, преобразования, транспорта топливных энергоресурсов для обеспечения количества сэкономленных энергетических ресурсов. Капитальные вложения в энергосберегающие мероприятия оказываются в 2-3 раза ниже необходимых капитальных вложений в добывающую и смежные отрасли промышленности для получения эквивалентного количества природного топлива. В рамках традиционно сложившегося подхода теплоэнергетические системы крупных промышленных потребителей рассматриваются единственным образом - как источник энергоресурсов требуемого качества в нужном количестве в соответствии с требованиями технологического регламента. Режим работы теплоэнергетических систем подчиняется условиям, диктуемым потребителем. Такой подход обычно при водит к просчетам при подборе оборудования и принятию неэффективных решений по организации теплотехнологических и теплоэнергетических систем, т.е. к скрытому или явному перерасходу топливно-энергетических ресурсов, что, естественно, сказывается на себестоимости выпускаемой продукции. В частности, достаточно сильное влияние на общие показатели эффективности энергопотребления промышленных предприятий оказывает сезонность. В летний период обычно отмечается избыточное поступление ВЭР теплотехнологии и одновременно ощущаются проблемы, связанные с недостаточным объемом и качеством охлаждающих теплоносителей из-за повышения температуры оборотной воды. В период низких температур наружного воздуха, напротив, возникает перерасход тепловой энергии, связанный с увеличением доли тепловых потерь через наружные ограждения, который очень трудно выявляется. Таким образом, современные теплоэнергетические системы должны разрабатываться или модернизироваться в органичной взаимосвязи с промышленной теплотехнологией, с учетом временных графиков и режимов работы как агрегатов - потребителей ЭР, так и агрегатов, которые, в свою очередь, являются источниками ВЭР. Основными задачами промышленной теплоэнергетики при этом являются: обеспечение баланса энергоресурсов требуемых параметров в любой отрезок времени для надежной и экономичной работы отдельных агрегатов и производственного объединения в целом; оптимальный выбор энергоносителей по теплофизическим и термодинамическим параметрам; определение номенклатуры и режимов работы резервных и аккумулирующих источников энергоресурсов, а также альтернативных потребителей ВЭР в период их избыточного поступления; выявление резервов роста энергетической эффективности производства на текущем уровне технического развития и в отдаленном будущем. В перспективе ТЭС ПП представляются сложным энерготехнологическим комплексом, в котором энергетические и технологические потоки тесно взаимосвязаны. При этом потребители топливно-энергетических ресурсов могут быть источниками вторичной энергии для технологических установок данного производства, внешнего потребителя или утилизационных энергетических установок, генерирующих другие виды энергетических ресурсов. Удельный расход теплоты на выпуск продукции промышленных производств колеблется от одного до десятков гигаджоулей на тонну конечного продукта в зависимости от установленной мощности оборудования, характера технологического процесса, тепловых потерь и равномерности графика потребления. При этом наиболее привлекательными являются мероприятия, направленные на повышение энергоэкономической эффективности действующих производств и не вносящие существенного изменения в режим работы основного технологического оборудования. Наиболее привлекательной представляется организация замкнутых систем теплоснабжения на базе утилизационных установок, предприятия которых имеют высокую долю потребления водяного пара среднего и низкого давления и горячей воды. Для большинства предприятий характерны значительные потери подведенной в систему теплоты в теплообменных аппаратах, охлаждаемых оборотной водой или воздухом - в конденсаторах, охладителях, холодильниках и Т.п. В таких условиях целесообразна организация централизованных и групповых систем с промежуточным теплоносителем в целях рекуперации сбрасываемой теплоты. Это позволит связать многочисленные источники и потребителей в рамках всего предприятия или выделенного подразделения и обеспечить горячей водой требуемых параметров промышленных и санитарнотехнических потребителей. Замкнутые системы теплоснабжения являются одним из OCH~BHЫX элементов безотходных производственных систем. Регенерация теплоты низких параметров и ее трансформацией на необходимый температурный уровень может быть возвращена значительная часть энергетических ресурсов, которая обычно сбрасывается в атмосферу непосредственно или с использованием систем оборотного водоснабжения. В технологических системах, использующих в качестве энергоносителей пар и горячую воду, температура и давление подводимой и сбрасываемой теплоты в процессах охлаждения оказываются одинаковыми. Количество сбрасываемой теплоты может даже превышать количество введенной в систему теплоты, так как процессы охлаждения обычно сопровождаются изменением агрегатного состояния вещества. В таких условиях возможна организация утилизационных централизованных или местных теплонасосных систем, которые позволяют регенерировать до 70 % теплоты, затраченной в теплопотребляющих установках. Такие системы получили широкое распространение в США, Германии, Японии и других странах, но в нашей стране их созданию не уделялось достаточного внимания, хотя известны теоретические разработки, проводившиеся в 30-х годах прошлого столетия. В настоящее время ситуация меняется и теплонасосные установки начинают внедрять в системы как теплоснабжения жилищно-коммунальных хозяйств, так и промышленных объектов. Одним из эффективных решений является организация утилизационных систем холодоснабжения на базе абсорбционных трансформаторов теплоты (АТТ). Промышленные системы холодоснабжения базируются на холодильных установках парокомпрессионного типа, причем потребление электроэнергии на производство холода достигает 15-20 % ее суммарного расхода по всему предприятию. Абсорбционные трансформаторы теплоты как альтернативные источники хладоснабжения обладают некоторыми преимуществами, в частности: для привода АТТ может использоваться низкопотенциальная теплота технической воды, дымовых газов или отработавшего пара низкого давления; при неизменном составе оборудования АТТ способен работать как в режиме хладоснабжения, так и в режиме теплового насоса на отпуск теплоты. Системы воздухо- и хладоснабжения промышленного предприятия существенного влияния на поступление ВЭР не оказывают и могут рассматриваться как потребители теплоты при разработке утилизационных мероприятий (см. гл. 3). В будущем следует ожидать появления принципиально новых безотходных промышленных технологий, созданных на базе замкнутых производственных циклов, а также значительного повышения доли электроэнергии в структуре энергопотребления. Рост потребления электроэнергии в промышленности будет связан, прежде всего, с освоением дешевых источников энергии - реакторов на быстрых нейтронах, термоядерных реакторов и пр. Одновременно с этим следует ожидать ухудшения экологической ситуации, связанной с глобальным перегревом планеты вследствие интенсификации «термического загрязнения» - роста тепловых выбросов в атмосферу. Контрольные вопросы и задания к теме 1 1. Какие виды энергоносителей используются для проведения основных технологических процессов в отделении пиролиза, а также на стадии выделения и разделения продуктов реакции в производстве этилена? 2. Охарактеризуйте приходную и расходную части энергетического баланса печи пиролиза. Как повлияла на них организация подогрева питательной воды? 3. Охарактеризуйте структуру энергозатрат в производстве изопрена методом двухстадийного дегидрирования. Какую долю в ней составляют потребление холода и оборотной воды? 4. Проведите анализ структуры теплового баланса производства синтетического этилового спирта методом прямой гидратации этилена. Перечислите статьи расходной части баланса, которые относятся к потерям тепловой энергии. 5. Поясните, почему теплотехнология ТАЦ-основы классифицируется как низкотемпературная. 6. Какие характеристики позволяют оценить равномерность тепловых нагрузок в течение года? 7. Приведите примеры промышленных технологий, которые относятся к второй группе по доле расхода теплоты на собственные нужды. 8. По суточному графику расхода пара на нефтехимическом предприятии определите его максимальное и минимальное значения и проведите их сравнение. Охарактеризуйте месячный график теплопотребления нефтехимического предприятия. 9. Чем объясняется неравномерность годовых графиков тепловых нагрузок промышленных предприятий? 10.Проведите сравнение графиков годовых нагрузок машиностроительных предприятий и химических комбинатов и сформулируйте выводы. 11.Всегда ли горючие отходы производства следует считать вторичными энергоресурсами? 12.Охарактеризуйте структуру потребления теплоты в промышленности с учетом температурного уровня тепловосприятия. 13.Поясните принцип определения располагаемого количества теплоты ВЭР продуктов сгорания, направляемых в котлы-утилизаторы. 14.Какую эквивалентную экономию природного топлива дает экономия единицы теплоты на стадии потребления и почему? 15.Сравните объемы выхода ВЭР в производстве бутадиена методом двухстадийного дегидрирования н-бутана и методом контактного разложения спирта (см. табл. П.1.1). УстановкаТип ВЭР Теплоноситель источник ВЭР 2 3 Горючие Этилен удельный выход, кг/кг продукта температура, К 1 Характеристика ВЭР теплосодержание, кДж/кг Целевой продукт производства Таблица П.l.l Вторичные энергоресурсы производств нефтехимической промышленности 5 6 7 30000 180 410 600 1730 1100 - - 446 980 2800 518 4 Метановодород 1,1 ная фракция Пиролиза Углеводородн ого сырья и Дымовые газы 4,7 газоразделения Тепловые Пиролизный газ 5 Горючие Остаточный газ 7 Оксид этилена Бутадиен Остаточный газ после дожигания Каталитичес 8,4 горючих компо кого окисления нентов этилена Тепловые Пар системы испарительного 3,1 охлаждения реакторов Контактного разложения спирта Горючие Остаточные газы после скруббера 45800 400 Тепловые Дымовые газы 6,20 Контактный газ 3,5-4,5 410 730 600 600 45000 80 Двухстадийного дегидрирования Горючие Абгаз н-бутана 1 Продолжение табл. П.1.1 1 2 3 4 5 600630 840 680825 870900 19000 80 500 640 1600 870 650 900 1,9 3510043800 80 10,4 550620 650 13001430 800880 9501200 900 Горючие Остаточный газ 6,6 < 1500 400 Парогазовая Тепловые смесь на выходе 21 из реактора 1600 495 16,1 Контактный газ 43 Газы регенерации 2,7 катализатора Горючие Абгаз 1,7 Тепловые Дымовые газы 7,8 Одностадийного Контактный газ 9 дегидрирования Тепловые Газы н-бутана регенерации катализатора Горючие Абгаз Дымовые газы Изопрен Двухстадийного дегидрирования изопрена Тепловые Контактный газ 29,6 Газы регенерации катализатора Синтетический Гидратации этиловый этилена спирт 7 450500 1200 Дымовые газы Бутадиен 6 15,6 ТЕМА 2 ОСНОВНЫЕ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ ПРЕДПРИЯТИЙ ПРОИЗВОДСТВА И ПРОМЫШЛЕННЫХ 2.1. Классификация потребителей тепла и систем теплоснабжения Классификация потребителей тепла Тепловое потребление - это использование тепловой энергии для разнообразных коммунально-бытовых и производственных целей (отопление, вентиляция, кондиционирование воздуха, души, бани, прачечные, различные технологические теплоиспользующие установки и т.д.). При проектировании и эксплуатации систем теплоснабжения необходимо учитывать: вид теплоносителя (вода или пар); параметры теплоносителя (температура и давление); максимальный часовой расход тепла; изменение потребления тепла в течение суток (суточный график); годовой расход тепла; изменение потребления тепла в течение года (годовой график); характер использования теплоносителя у потребителей (непосредственный забор его из тепловой сети или только отбор тепла). Потребители тепла предъявляют к системе теплоснабжения различные требования. Несмотря на это, теплоснабжение должно быть надежным, экономичным и качественно удовлетворять всех потребителей тепла. Потребителей тепла можно разделить на две группы: o сезонные потребители тепла; o круглогодовые потребители тепла. Сезонными потребителями тепла являются: отопление; вентиляция (с подогревом воздуха в калориферах); кондиционирование воздуха (получение воздуха определенного качества: чистота, температура и влажность). Круглогодовые потребители используют тепло в течение всего года. К этой группе относятся: o технологические потребители тепла; o горячее водоснабжение коммунально-бытовых потребителей. Классификация систем теплоснабжения Снабжение теплом потребителей (систем отопления, вентиляции, на технологические циклы и горячее водоснабжение зданий) состоит из трех взаимосвязанных циклов: o сообщение тепла теплоносителю; o транспорт теплоносителя; o использование теплового потенциала теплоносителя. В соответствии с этим, каждая система теплоснабжения состоит из трех звеньев: o источник тепла; o трубопроводы; o системы теплопотребления с нагревательными приборами. Системы теплоснабжения классифицируются по следующим основным признакам: по мощности; по виду источника тепла; по виду теплоносителя. По мощности системы теплоснабжения характеризуются дальностью передачи тепла и числом потребителей. Они могут быть местными и централизованными. Местными называют системы теплоснабжения, в которых три основных звена объединены и находятся или в одном помещении, или в смежных помещениях и применяются только в гражданских, небольшого объема, зданиях, или в небольших вспомогательных зданиях на промышленных площадках, удаленных от основных производственных корпусов. (Например, печи, газовое или электрическое отопление). В этих случаях получение тепла и передача его воздуху помещений объединены в одном устройстве и расположены в отапливаемых помещениях. Централизованными системами теплоснабжения называются в том случае, когда от одного источника тепла подается тепло для множественных помещений или зданий. По виду источника тепла системы централизованного теплоснабжения разделяют на районное теплоснабжение и теплофикацию. При районном теплоснабжении источником тепла служит районная котельная, а при теплофикации - ТЭЦ. Теплоносителем называется среда, которая передает тепло от источника тепла к нагревательным приборам систем отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. По виду теплоносители системы теплоснабжения делятся на две группы: o водяные системы теплоснабжения; o паровые системы теплоснабжения. Водяные системы теплоснабжения различают по числу теплопроводов, передающих воду в одном направлении: o однотрубные; o двухтрубные; o многотрубные. Водяные системы теплоснабжения по способу присоединения систем горячего водоснабжения разделяют на две группы: закрытые системы; открытые системы. Схемы присоединений систем отопления и вентиляции к тепловым сетям могут быть зависимые и независимые. При зависимой схеме вода из тепловых сетей непосредственно поступает в нагревательные приборы систем отопления и вентиляции. При независимой схеме вода из тепловой сети доходит только до абонентских вводов местных систем, т.е. до места присоединения последних к тепловой сети, и не попадает в нагревательные приборы, а в специально предусмотренных подогревателях нагревает воду, циркулирующую в системах отопления зданий, и возвращается по обратному теплопроводу к источнику теплоснабжения. Паровые системы теплоснабжения могут быть с возвратом и без возврата конденсата. Технологические потребители пара присоединяются непосредственно или с применением компрессора, если давление пара в сети ниже давления, требуемого технологическими потребителями. Выбор систем теплоснабжения Система теплоснабжения выбирается в зависимости от характера теплового потребления и вида источника теплоснабжения. Водяным системам теплоснабжения отдается предпочтение, когда тепловые потребители представляют собой системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. При наличии технологической тепловой нагрузки, требующей тепло повышенного потенциала, рационально также применять воду в качестве теплоносителя, но при этом предусматривать прокладку третьего обособленного трубопровода. На промышленных площадках при превалирующей технологической тепловой нагрузке повышенного потенциала и малых нагрузках отопления и вентиляции можно применять паровые системы теплоснабжения. 2.2. Системы теплоснабжения Источники тепловой энергии, обеспечивающие промышленные предприятия паром и горячей водой, можно разделить на две группы: внешние источники теплоты - заводские и районные ТЭЦ и котельные; внутренние источники теплоты - технологические агрегаты, в которых образуются вторичные энергоресурсы. При необходимости ВЭР преобразуются в пар или горячую воду в специальных утилизационных установках. Снабжение крупных потребителей тепловой и электрической энергией производится централизованно. Электрическая энергия поступает на предприятия преимущественно от электрических сетей РАО «ЕЭС России», а тепловую энергию они получают от промышленных ТЭЦ Минтопэнерго. Потребители пара промышленных параметров при наличии собственных источников тепловой энергии, в число которых входят и утилизационные установки, на своей территории организовывают rобъединенную систему пароснабжения, к которой подключаются несколько источников теплоты, как внутренних, так и внешних. Это позволяет сглаживать неравномерность поступления теплоносителей от утилизационных установок, режим работы которых непосредственно зависит от режима работы основного технологического агрегата - источника ВЭР. Доля поступления теплоты от утилизационных установок зависит от характеристик основных технологических процессов промышленного производства и в среднем составляет 8-10 % (табл. 2.1). Так, на производствах с высокотемпературными технологиями доля выработки пара от внутренних утилизационных источников, которыми чаще всего являются котлыутилизаторы, достаточно высока и может достигать 7 % суммарного потребления. В низкотемпературных технологиях доля утилизируемой теплоты незначительна и составляет всего 4-8 %. Источники теплоснабжения промышленности предприятий Источники тепловой энергии Собственные источники: ТЭЦ котельные утилизационные установки Всего Внешние источники (ТЭЦ РАО ЕЭС, районные котельные и др.) Всего Из них: потреблено промышленным предприятием передано внешним потребителям Всего химический отрасли Таблица 2.1 % общего теплопотребления 8 19,1 4,0 31,1 68,9 100 88 12 100 Крупные промышленные предприятия от внешних источников получают в основном перегретый пар. ОТ ТЭЦ и крупных центральных котельных поступает пар, перегретый относительно температуры насыщения на 50-100 ОС, чтобы покрыть тепловые потери при транспорте теплоносителя. Степень перегрева пара в зимний период повышается, так как возрастают потери теплоты в окружающую среду из-за понижения температуры наружного воздуха. При использовании пара в тепловых процессах его перегрев не играет cyщecтвенной роли, так как доля теплоты, передаваемой за счет его охлаждения до температуры насыщения, очень мала, по сравнению с долей теплоты, передаваемой за счет скрытой теплоты конденсации пара. Однако при этом условия эксплуатации теплообменного оборудования ухудшаются и возрастают потери с пролетным паром. Для обеспечения тепловых нагрузок преимущественно используется насыщенный пар среднего и низкого давления. Перегретый пар среднего и высокого давлен ил используется в силовых процессах. Если для ведения технологических процессов требуется пар более высокой температуры 400-600 0 С, то у потребителя устанавливаются специальные центральные пароперегреватели (рис. 2.1). За счет сжигания природного топлива в них достигается необходимая температура пара, полученного от внешних источников. В заводских котельных, в том числе и утилизационных, преимущественно вырабатывается сухой насыщенный пар. Однако вследствие слабого контроля за степенью сухости отпускаемого пара к потребителю часто поступает влажный пар. В результате возрастают тепловые потери в теплоиспользующем оборудовании и снижается гидравлическая устойчивость транспортирующей паровой сети, поскольку в паропроводе увеличивается образование конденсата. При поиске решений по организации эффективных систем пароснабжения промышленных предприятий необходимо рассматривать разнообразные процессы производства, транспорта, регулирования и потребления промышленного пара. Таким образом, система снабжения паром промышленного предприятия представляет собой комплекс различных установок и устройств, обеспечивающих эти процессы. В целях упорядочения пароснабжения промышленных предприятий и снижения необоснованных потерь пара, связанных с несоответствием режимов работы потребителей и источников тепловой энергии в определенные отрезки времени, необходимо оптимизировать потребление пара. Нарушение расчетных графиков прихода и расхода теплоты по расходу и параметрам приводит к отклонению режимов работы источников пароснабжения от оптимальных, необходимости резервирования мощности, возрастанию затрат на сооружение аккумулирующих установок и, следовательно, к перерасходу топлива, материальных и денежных средств. Эта задача может быть решена только математическим моделированием реальных процессов, позволяющим учесть многочисленные факторы, влияющие на эффективность и устойчивость работы систем в выявленных диапазонах отклонений параметров. Рис. 2.1. Центральный пароперегреватель ЦП-60-С: 1 – горелочное устройство; 2 – экранированная топочная камера; 3 – фестон; 4 – пароперегреватели; 5 – взрывные клапаны; 6, 8 – воздухоподогреватели; 7 – догреватель топочного газа Для построения моделей необходимо иметь надежную и подробную информацию о тепловом потреблении и уровне сопутствующих потерь теплоты. К сожалению, на промышленных предприятиях практически отсутствует информационная база по пароконденсатным балансам паропотребляющих установок, что не позволяет провести достоверный анализ эффективности энергопотребления объектов и характерных режимов их эксплуатации. Системы технологического пароснабжения промышленных предприятий классифицируются по следующим признакам: вид основного источника пароснабжения: ТЭЦ, центральные или местные котельные; объем потребления пара: малое - до 6 кг/с; среднее 6-20 кг/с; большое более 20 кг/с; состояние пара: перегретый, насыщенный, совместное использование перегретого и насыщенного пара; давление пара на входе в распределительную паровую сеть предприятия: низкое - менее 0,3 МПа; среднее - от 0,3 до 0,9 МПа; повышенное - от 0,9 до 1,5 МПа и высокое - более 1,5 МПа; сложность паровой сети: протяженность, разветвленность и пр.; организация систем сбора и возврата конденсата: закрытого и открытого типов; структура теплопотребления: с преобладанием технологических или санитарно-технических нагрузок; характер графика теплопотребления в течение рассматриваемого периода (суток, сезона, года): резко выраженный, равномерный. От внешних источников пар промышленных параметров (давлением 0,8-3,5 МПа) поступает по магистральному паропроводу. При давлении более 3 МПа он направляется к потребителям, минуя центральный тепловой пункт (ЦТП); пар с давлением менее 3 МПа из магистрали сначала поступает на ЦТП. Здесь устанавливаются регулирующая арматура, регистрирующие и контрольноизмерительные приборы. Если на производстве используется пар давлением 0,60,9 МПа. На ЦТП предусматривается редукционная установка (РУ) или редукционноохладительная установка (РОУ). Центральный тепловой пункт располагается в одном из производственных зданий или специально отведенном помещении в центре системы распределения пара между потребителями. На крупных промышленных предприятиях с протяженными и разветвленными паровыми сетями устанавливается несколько ЦТП. Выбор места их расположения зависит от распределения нагрузки по территории предприятия и удаленности потребителей. Нa рис. 2.2 показана схема подключения котельной к паровой сети через парораспределительный двухступенчатый коллектор. Ступени разделяются редукционным клапаном. Доля отопительно-вентиляционной нагрузки в общей присоединенной тепловой нагрузке промышленного предприятия непосредственно зависит от профиля данного предприятия. В частности, отопительно-вентиляционные нагрузки крупных нефтехимических предприятий составляют 5-7 %, а на химических предприятиях достигают 20 - 30 % общего потребления теплоты. Горячая вода на покрытие этих нужд обычно поступает от центральных внешних и заводских источников теплоты. Отопление производственных помещений часто совмещается с системой приточной вентиляции. Температура воздуха, поступающего в помещения в отопительный период, повышается от -40 ... + 10 до 25–40°С. Отопление административных помещений организуется по той же схеме, что и объектов коммунально-бытового сектора. В настоящее время на некоторых промышленных предприятиях еще сохранились паровые отопительные системы, но их постепенно меняют на водяные. Это продиктовано следующим: водяные системы позволяют организовать качественное регулирование температурного режима отопительных систем в соответствии с температурой наружного воздуха и обеспечить лучшие санитарно-гигиенические условия отапливаемых помещений. Сантехнические нагрузки промышленных предприятий составляют 2-10 % в структуре общего теплопотребления. Присоединение местных потребителей горячей воды к тепловым сетям можно осуществлять по смешанной или последовательной схеме, однако в действительности предпочитают устанавливать специальные пароводяные теплообменники. Это объясняется несоответствием режимов теплофикационных и сантехнических нагрузок. Потребление горячей воды происходит круглогодично, поэтому в длительный летний период, когда отопительно-вентиляционные нагрузки отсутствуют, содержание протяженной сильноразветвленной сети только на нужды горячего водоснабжения оказывается экономически невыгодным. Кроме того, температура воды, требуемой некоторыми технологическими потребителями, оказывается несколько завышенной по отношению к расчетным для открытых или закрытых систем горячего водоснабжения. Например, для отмывания сильно загрязненных техническим маслом или нефтепродуктами деталей требуется горячая вода температурой выше 70 0С. В душевых, прачечных, столовых может использоваться вода более низкой температуры - 45 0С. В том случае, когда сантехническая нагрузка обеспечивается местными пароводяными теплообменниками, она учитывается в общей паровой нагрузке предприятия. 2.3. Системы пароснабжения. промышленного конденсата Схемы сбора и возврата Абонентские установки для возврата конденсата состоят из конденсатоотводчиков, сборников конденсата, конденсатных насосов и трубопроводов. Допустимая норма растворенного кислорода в перекачиваемом конденсате, при которой не происходит коррозии стальных конденсатопроводов, составляет 0,1 мг/л. Особенно активно происходит цикл коррозии при наличии в конденсате, кроме кислорода, еще и углекислоты. Помимо разрушения трубопроводов, коррозия увеличивает их гидравлическое сопротивление вследствие роста шероховатости стенок и уменьшения поперечного сечения трубопроводов. Продукты коррозии, образующиеся на внутренней поверхности конденсатопроводов, смываются и уносятся конденсатом, что приводит в результате к затруднениям в эксплуатации котельного оборудования. В конденсатных системах наблюдается, как язвенная коррозия, так и равномерная. Особенно опасна язвенная коррозия вследствие образования сквозных свищей, выводящих трубопровод из строя в короткое время. Язвенная коррозия возникает в условиях отсутствия движения конденсата по трубопроводу. Для ее предупреждения необходимо непрерывно откачивать конденсат. Кислородная коррозия конденсатопроводов устраняется применением закрытых конденсатосборных установок, в которых конденсат находится под избыточным (выше атмосферного) давлением паровой подушки и не имеет контакта с атмосферным воздухом. При эксплуатации открытых систем температуру возвращаемого конденсата необходимо поддерживать на уровне 95100 С. Чем выше температура конденсата, тем ниже в нем растворенного кислорода и тем долговечнее система. Для протекции конденсата от аэрации с поверхности открытых конденсатных баков применяют сталестружечный затвор с поплавком. Отвод конденсата из пароприемников и трубопроводов Нагревание той или иной среды паром возможно двумя путями: или непосредственным контактом (смешением) пара с нагреваемой средой, или пропусканием пара через поверхностные нагреватели. В первом случае пар отдает часть содержащегося в нем тепла, и происходит его полная конденсация, причем, конденсат остается вместе с нагреваемым веществом. Во втором случае тепло пара передается нагреваемой среде через разделяющую стенку, а пар, соприкасаясь с более холодной стенкой и остывая, конденсируется. Если имеет место некоторое накопление конденсата в нагревательных элементах, то конденсат отдает часть своего тепла через стенку нагревательного элемента нагреваемому веществу, и температура конденсата становится ниже температуры насыщенного пара, значит имеет место, так называемое, переохлаждение конденсата. Заполнение конденсатом части нагревательных элементов теплоиспользующей установки уменьшает активную поверхность нагрева и ведет к снижению производительности установки. В большинстве случаев выгодно не допускать переохлаждение конденсата, а отводить его при температуре насыщения. Отвод из теплоиспользующих установок и нагревательных приборов без пропуска вместе с ним пара достигается при помощи специальных устройств, называемых конденсатоотводчиками. Нарушение нормальной работы конденсатоотводчиков может привести к большим потерям тепла или чрезмерному скоплению конденсата в нагревательной камере, в результате чего может произойти нарушение работы аппарата и в некоторых случаях гидравлические удары. Насыщенный водяной пар при выходе из паровых котлов содержит в себе некоторое количество воды. При нормальной работе котла влажность такого пара составляет 1 - 4% и значительно возрастает, если вода в котле имеет загрязнения. Для уменьшения конденсации пара при его транспортировке от котельной до потребителя пар в котле слегка перегревается. При подаче пара от ТЭЦ пар перегретый. При повышенной конденсации пара в трубопроводе патрубки для отвода конденсата устанавливаются более часто. Паропроводы, во избежание большой конденсации, изолируются, то есть покрываются материалом, плохо проводящим тепло. Постоянные дренажи снабжаются конденсатоотводчиками, конденсат из них собирается для использования. Временные (пусковые) дренажи служат при пуске паропровода и устраиваются в тех местах, где конденсат может скопиться только после остановки паропровода. Такими местами являются нижние точки паропровода, места подъема, а так же участки перед задвижками и вентилями в случае прогрева паропровода участками. Временный дренаж осуществляется самостоятельными трубопроводами, а конденсатоотводчик на нем не ставят. Временные дренажи отключают, как только давление при прогреве паропровода поднимается до рабочего. Конденсатоотводчики Конденсатоотводчики применяются для автоматического бесшумного удаления конденсата с одновременным запиранием пара. Значение конденсатоотводчиков весьма велико. Потери пара только при неудачной конструкции конденсатоотводчиков и неправильной эксплуатации составляют 25% количества потребляемого пара. Существуют различные способы отвода конденсата и разнообразные конструкции конденсатоотводчиков. По принципу действия конденсатоотводчики делятся на три вида: o с гидравлическим затвором (сифоны); o с гидравлическим сопротивлением (подпорные шайбы); o с механическим затвором (поплавковые). Наиболее простым является отвод конденсата посредством гидравлического затвора. Недостатками гидравлических затворов являются: пропуск несконденсировавшегося пара, выброс конденсата при повышении давления пара в теплообменном аппарате и большая высота. Для устранения этого недостатка применяют батарею затворов, соединенных друг с другом последовательно. Отводчики конденсата с механическим затвором разделяются по принципу действия на следующие группы: o поплавковые, основанные на разности удельных весов конденсата и пара, могут быть с открытым или закрытым поплавком; o термостатические, основанные на расширении тел от нагревания; o мембранные. Термостатические конденсатоотводчики применяют для отвода охлажденного конденсата. Конденсатоотводчики с механическим затвором часто называют конденсационными горшками. Конденсатоотводчики с закрытым поплавком применяются при давлении свыше 10 МПа и выпускаются с производительностью до 18м3/ч. Мембранный конденсатоотводчик состоит из двух полостей разделенных м. собой металлической мембраной и соединенных каналом. Схемы установки конденсатоотводчиков Рациональные схемы конденсатоотводчиков позволяют выбрать стандартное оборудование, упрощают изготовление и монтаж, снижают потери пара. При выборе схемы необходимо иметь в виду то, что парозапорные вентили на обводах и при отводчиках, и обратные клапаны при них с течением времени изнашиваются и становятся источником потери пара, поэтому применение их должно быть ограничено только необходимыми случаями. Трубопровод, отводящий конденсат, уловленный дренажным патрубком, прокладывается с уклоном в сторону отводчика. После отводчика дренажный трубопровод может прокладываться с подъемом, не превышающим 50 - 75% высоты водяного столба, соответствующего давлению в паропроводе. Конденсатоотводчики, устанавливаемые в местах дренажа и осушки коллекторов-распределителей пара, должны обеспечивать автоматичность работы, как в отношении отвода конденсата, так и выпуска воздуха, непрерывность работы и безотказность действия. Кроме того, они должны быть доступны для контроля и очистки от загрязнений без снятия с трубопровода. Особенностью установки отводчиков при небольших отопительных агрегатах и местных нагревательных приборах является принцип. возможность упрощения их схем, так как при необходимости его ремонта можно выключить эти аппараты, закрыв вентили со стороны входа пара. 2.4. Системы сбора и возврата конденсата Использование греющего пара в процессах передачи теплоты, реализуемых в элементах оборудования поверхностного типа технологических и энергетических систем, приводит к ·образованию парового конденсата высоких параметров. Давление, температура и расход греющего пара, поступающего в рабочее пространство теплоиспользующего аппарата, поддерживаются в жестко ограниченных пределах, диктуемых технологическим регламентом для конкретного типа оборудования. Вследствие этого параметры греющего пара и конденсата, отводимого от разнотипных элементов оборудования, могут колебаться в широком диапазоне, что должно учитываться при организации систем сбора и возврата конденсата, а также при выборе утилизационных мероприятий, направленных на повышение энергетической эффективности потребления тепловой энергии. Невнимание к этим проблемам приводит к росту необоснованных потерь высококачественного теплоносителя и удельных энергозатрат на выпуск промышленной продукции. К числу основных факторов, влияющих на экономические показатели возвращения конденсата источнику пароснабжения, относятся: объем образующегося конденсата; давление и температура возвращаемого конденсата; степень загрязнения конденсата маслом и другими примесями; требования к качеству питательной воды источника пароснабжения; протяженность и сложность организуемых систем возврата конденсата от потребителя до источника пароснабжения; соотношение цен потребляемого топлива, тепловой и электрической энергии; число часов работы потребителей пара в течение года. Анализ процессов пароконденсатных систем в промышленности показывает, что крупным потребителям пара возвращение конденсата источнику пароснабжения экономически целесообразно. Невозвращение конденсата допускается только на небольшие производства с незначительной долей пара в структуре потребления энергопотребителей, нерегулярным выходом конденсата или высокой степенью его загрязнения. Промышленный пар давлением 1-1,6 МПа поступает в общезаводскую систему распределяющих паропроводов, а на стадиях потребления обычно требуется пар давлением 0,4-0,6 МПа. При передаче теплоты в теплообменном оборудовании происходит конденсация водяного пара. Кроме того, конденсат высокого давления может образовываться в системах водяного охлаждения технологических аппаратов и конструктивных элементов, охлаждающей средой в которых является химически очищенная или умягченная вода. В результате параметры образующегося конденсата могут изменяться в диапазоне температур 100-180 °С и давлений 0,1-1,6 МПа, что необходимо учитывать при организации систем сбора и возврата конденсата. Уменьшение доли возвращенного внутризаводским источникам конденсата и снижение его температуры относительно регламентируемого уровня приводят к пропорциональному росту расхода теплоты на технологические нужды химводоочистки, нагрев питательной воды, процессы деаэрации и продувку паровых котлов. Кроме того, возрастают капитальные и эксплуатационные затраты на пароконденсатное хозяйство и содержание оборудования завышенной производительности. Таким образом, технико-экономические показатели эффективности эксплуатации систем теплоснабжения промышленных предприятий, характеризующихся высокой долей пара промышленных параметров в общей структуре теплопотребления, непосредственно зависят от организации систем сбора и возврата парового конденсата. Особую значимость этот фактор имеет для промышленных объектов, имеющих собственные источники теплоты (ТЭЦ или котельные), поскольку каждый процент невозврата конденсата приводит к возрастанию тепловых затрат на собственные нужды в 2-, 3-кратном размере. Соответственно снижается тепловой КПД энергетической установки. В настоящее время выделяются две разновидности систем сбора конденсата - открытого и закрытого типов. Они классифицируются по условиям эксплуатации баков-конденсатосборников: в системах открытого типа бак сообщается с атмосферой, поэтому давление, поддерживаемое в нем, равно атмосферному; в системах закрытого типа бак и все элементы системы изолированы от сообщения с окружающей средой и находятся под небольшим избыточным давлением 0,005-0,02 МПа. По способу организации системы сбора конденсата открытого и закрытого типов подразделяются на самотечные, напорные и смешанные. В самотечных системах транспорт конденсата производится за счет разности высот расположения источника конденсата и конденсатосборника. Напорные системы работают за счет перепада давлений, поддерживаемого в конденсатопроводе и создаваемого перекачивающими конденсатными насосами, включаемыми в схему. В смешанных системах объединяются несколько участков. Одни из них работают по открытой схеме, другие - по закрытой. 2.4.1. Системы сбора конденсата открытого типа Системы открытого типа допускается сооружать на предприятиях с небольшим объемом возвращаемого конденсата: от 4-6 т/ч и до 10 т/ч, при условии, что источник теплоты расположен на расстоянии, не превышающем 500 м. Достоинствами таких систем являются: небольшие капитальные затраты на сооружение; простые конструкции основных элементов оборудования; надежная эксплуатация системы и невысокие затраты на поддержание ее в работоспособном состоянии К недостаткам систем относятся: повышенная доля безвозвратных потерь конденсата из-за испарения воды с поверхности зеркала в баках-конденсатосборниках; коррозионный износ оборудования и конденсатопроводов из-за поглощения конденсатом кислорода (аэрации) при непосредственном соприкосновении с воздухом. В конденсатосборниках атмосферного типа в целях предотвращения интенсивной аэрации температура конденсата должна быть IH,IIIJC 95 ОС. Принципиальные схемы конденсатных систем открытого типа представлены на рис. 2.3- 2.5. По самотечной схеме конденсат возвращается в сборный бак (см. рис. 2.3), уровень размещения которого ниже отметки установки конденсатоотводчиков на выходе из паропотребляющих элементов. Такая схема характерна для внутрицеховых пароконденсатных систем, рассчитанных на невысокую нагрузку. В напорных без насосных системах (см. рис. 2.4) транспорт конденсата в сборный бак производится за счет разности давлений. Конденсат на выходе из паропотребляющего элемента оборудования из-за давления греющего пара обладает небольшим избыточным давлением относительно атмосферного, поддерживаемого в баке. Конденсатосборник в этом случае может располагаться выше уровня размещения конденсатоотводчиков, что дает возможность отводить конденсат из бака к парогенерирующим установкам самотеком. При значительном удалении источника теплоснабжения (ТЭЦ или котельной) для преодоления гидравлического сопротивления конденсатопровода требуется создание дополнительного напора, для чего в схему включаются перекачивающие насосы (см. рис. 2.5). В схемах открытого типа следует добиваться максимально возможного снижения выпара и пара вторичного вскипания в конденсате. Этого можно достичь: охлаждением конденсата в теплообменниках, что желательно осуществлять в самих пароиспользующих аппаратах; применением сепараторов-расширителей для удаления пара вторичного вскипания и выпара из конденсата; доохлаждением конденсата путем подмешивания к нему мягкой воды. Обычно объем добавочной воды в 1,5 раза превышает объем отводимого конденсата. 2.4.2. Системы сбора и возврата конденсата закрытого типа На крупных промышленных предприятиях сооружаются преимущественно системы сбора и возврата конденсата закрытого типа. Температура конденсата в данном случае не нормируется, хотя для улучшения условий работы перекачивающих насосов его не рекомендуется охлаждать до температуры ниже 90 0С. однако в целях максимального использования теплоты конденсата допускается и более глубокое охлаждение - до 80°С (рис. 2.6). 2.6. В конденсатосборниках систем закрытого типа не рекомендуется поддерживать давление более 0,105-0,12 МПа, так как ухудшаются условия эксплуатации теплоиспользующего оборудования, конденсатоотводчиков и транспортирующих трубопроводов. Избыточное давление поддерживается подводом пара из паропровода или за счет вскипания конденсата, подводимого в верхнюю часть бака-конденсатосборника. Системы закрытого типа позволяют снизить потери промышленного пара и конденсата. При эксплуатации таких сложных систем и применяются специальные контрольно-измерительные и предохранительные устройства. 2.4.3. Пароконденсатный баланс производственного участка Основными составляющими тепловых потерь с конденсатом являются: потери с невозвращенным чистым конденсатом Qk, кВт; потери с пролетным паром Qпр, кВт; потери с паром вторичного вскипания Qв.в., кВт. невозвращенным Суммарное количество конденсата, кг/с, не возвращенного источнику теплоснабжения, составит (2.1) G Gê Gïð Gâ.â. где GK - количество чистого конденсата, кг/с; Gв.в - потери конденсата с паром вторичного вскипания, кг/с. Эти потери происходят из-за падения давления в транспортирующих системах и могут составить 4-15 % массы образующего конденсата G к; Gпр - потери конденсата с пролетным паром. Для разветвленных систем крупных промышленных предприятий эти потери составляют Gпр = (0,1-0,15)Dп, (2.2) где Dп - количество подведенного пара к паропотребляющему аппарату, кг/с. В условиях частичного невозвращения конденсата количество пролетного пара, %, содержащегося в нем, составит ïð (10 15) Gê Dï (2.3) Суммарные потери тепла, кВт, связанные с не возвращением конденсата источнику, определяются соотношением (2.4) Q Qк Qпр Qв.в. Gкhк Gпрhпр Gв.в.hв.в. Здесь hK - энтальпия чистого конденсата, определенная при температуре, поддерживаемой в конденсатосборнике, после выделения из него пара пролетного и вторичного вскипания, кДж/кг; hпр - энтальпия пролетного пара, определенная по давлению пара, поступающего на паропотребляющий аппарат, кДж/кг; hв.в - энтальпия пара вторичного вскипания, определенная по давлению, поддерживаемому в конденсатосборнике, кДж/кг. Тепловые потери с невозвращенным конденсатом по отношению к количеству теплоты, подведенной в паропотребляющий аппарат, %: ê Q 100 D Ï hÏ (2.5) где hп – энтальпия пара, поступившего из паровой сети, кДж/кг (см. табл. П.2.l, П.2.2). Кроме перечисленных тепловых потерь на предприятиях с собственными источниками теплоснабжения возникают дополнительные потери, связанные с увеличением объемов продувочной воды, %: â.ïð hâ.ïð Gê hÏ DÏ (2.5) где hв.пр –энтальпия продувочного конденсата, соответствующая температуре воды на выходе из аппарата, использующего теплоту продувки, кДж/кг; а – объем продувочной воды котла, приходящийся на каждый про цент невозвращенного конденсата, %; в котлах, вырабатывающих пар давлением до 6 МПа, а = 0,08-0,2 %, давлением 6-12 МПа а = 0,12-0,5 %. Меньшее значение а соответствует котлам, в которых организовано ступенчатое испарение теплоносителя. При организации возврата конденсата на ТЭЦ паровой конденсат, возвращаемый от пароиспользующих технологических аппаратов, требует специальной очистки. Для этого он предварительно охлаждается до 70 °С в специальных системах, хладоносителем в которых является оборотная вода. Температура конденсата, образующегося в технологических аппаратах, близка к температуре насыщения греющего пара (130-160 °С), поэтому объемы сбрасываемой теплоты в этих системах могут быть значительными. Основной причиной невозвращения конденсата на промышленных предприятиях является высокая степень его загрязнения. После очистки от углеводородов, масел и прочих вредных для окружающей среды примесей конденсат, охлажденный до 40 °С, сливается в канализацию. Теплота, содержащаяся в конденсате, практически не используется, и предприятие несет дополнительные потери, связанные с ростом нагрузки систем оборотного водоснабжения. В этих условиях возможно использование теплоты, содержащейся в конденсате, при помощи промежуточных теплоносителей, замкнутых испарительно-конденсаторных систем (термосифонов) или при совмещении процессов теплопередачи и повышения параметров утилиизируемой теплоты в теплонасосных установках. Количество теплоты, кВт, которое может быть сэкономлено с паром вторичного вскипания, определяется соотношением (2.7) Qâýê.â â. âGê h2 где â.â – доля пара вторичного вскипания, образующегося при снижении давления от р1 до р2 (см. табл. П.3.1 и П.3.3): â.â h1 h2 r2 (2.8) где h1 – энтальпия конденсата высокого давления, кДж/кг; h2 – энтальпия конденсата после бачка-сепаратора (рис. 3.7), кДж/кг; r2- удельная теплота парообразования при давлении р2, кДж/кг. Низкое давление получаемого пара вторичного вскипания (р < 0,3 МПа) ограничивает область его использования в промышленной технологии. Повысить его давление можно при помощи струйного компрессора, устанавливаемого на конденсатосборник (рис. 2.7 и 2.8). Процесс сжатия пара низкого давления в струйном компрессоре сопровождается подачей пара высокого давления из паровой магистрали. При этом достигается значительное увеличение объема получаемого пара среднего давления. Более подробно эти процессы рассматриваются в гл. 6. Для повышения эффективности работы пароконденсатных систем на промышленных предприятиях· необходимо провести следующие мероприятия: 1. Изменить технологический процесс и режим работы оборудования, если есть такая возможность, в целях снижения доли паровой нагрузки предприятия. В частности, на нефтеперерабатывающих заводах для транспорта вязких нефтепродуктов в зимний период используются паровые спутники, в которых конденсат греющего пара практически полностью теряется. В этом случае возможен перевод спутников с парового на водяной обогрев. 2. Снизить долю конденсата или полностью отказаться от его использования в производственных процессах. Загрязнение конденсата происходит в теплообменниках контактного типа - скрубберах, пленочных смешивающих теплообменниках, используемых в целях интенсификации теплообменных процессов. Загрязненный углеводородами конденсат образуется из-за разбавления сырья перед подачей в печи промышленных технологий и последующего отделения конденсата от продуктов реакции. В этом случае необходима специальная очистка образующегося конденсата, после чего становится возможным его использование в котлах-утилизаторах, требования к качеству питательной воды которых менее жесткие, по сравнению с топливоиспользующими энергетическими агрегатами. 3. Для питания собственных котлов-утилизаторов использовать не конденсат высокого качества, а химически обессоленную воду собственного производства. 4. Улучшить условия эксплуатации пароконденсатных систем промышленного предприятия, т.е. правильно организовать системы транспорта и распределения пара между потребителями, сбора и возврата конденсата: дренаж паропроводов, правильный выбор конденсатоотводчиков, устанавливаемых на выходе из каждого паропотребляющего аппарата, устранение утечек пара, очистку конденсатам и т.п. В частности, анализ пароконденсатного баланса завода, выпускающего бутадиеновый каучук по технологии двустадийного дегидрирования, показал, что невозвращение конденсата составляет 2/3 общего расхода пара. При этом 50 % образующегося конденсата из-за сильного загрязнения углеводородами сливается в канализацию, хотя после специальной очистки он может быть использован в котлах-утилизаторах. Аналогичные показатели имеют подавляющее большинство предприятий нефтехимической, нефтеперерабатывающей и химической отраслей промышленности. Независимо от причины невозвращение конденсата предприятиям единой энергосистемы сопряжено с выплатами крупных денежных штрафов, особенно при нарушении заключенных договоров. 2.5. Системы хладоснабжения Теплообменные процессы, проводимые при температурах ниже температуры окружающей среды, получили широкое распространение как в теплотехнологии различных отраслей промышленности, так и в системах производства энергоносителей. В частности, к числу крупных потребителей холода на промышленных предприятиях относятся централизованные источники воздухоснабжения - компрессорные станции и системы кондиционирования производственных и административных помещений, располагаемых на территории предприятия. Параметры холода, используемого в технологических процессах промышленных производств, варьируются в широких пределах: от -110 до +15 °С. Нагрузка систем хладоснабжения может быть значительной и на отдельных производствах достигает 15-25 % суммарного энергопотребления. В теплотехнических системах холод используется для охлаждения, конденсации и сжижения рабочих сред; разделения, извлечения и очистки углеводородных продуктов; получения особо чистых веществ; осаждения солей и кристаллизации; отвода теплоты экзотермических реакций и низкотемпературного термостатирования; депарафинизации в производствах моторных масел и т.п. На крупных промышленных предприятиях организуются централизованные системы, источником которых являются холодильные станции, вырабатывающие холод нескольких параметров. Холодопроизводительность таких станций может достигать 35 МВт. Многообразие технологических процессов, в которых используется умеренный холод, на промышленных предприятиях предопределяют требования, предъявляемые к системам хладоснабжения: непрерывное и бесперебойное обеспечение потребителей холодом требуемых параметров; объединение холодильного цикла с технологическими процессами; выбор хладагентов в заданных диапазонах рабочих температур, поддерживающих высокий уровень энергетической эффективности источника холода, а также безопасность для конструкционных материалов, из которых изготавливаются элементы оборудования; устойчивость технологической системы источника холода к небольшим случайным или длительным (сезонным) отклонениям рабочих параметров, связанным с изменением режима работы одного или нескольких потребителей; максимально возможное использование вторичных энергетических ресурсов технологических процессов с горячей водой, имеющей температуру выше 90 °С, газами температурой до 240 °С и водяным паром низких параметров в утилизационных абсорбционных Холодильных установках; организация эффективного процесса конденсации хладагента в конденсаторах холодильных установок, в том числе и в аппаратах воздушного охлаждения (АВО), за счет подачи наружного воздуха; высокая степень автоматизации холодильных систем и высокий уровень их технико-экономических показателей. Холодильные установки, предназначенные для выработки холода одного параметра, могут размещаться в технологическом цехе, где сосредоточены их основные потребители. Холодильная станция, центральная или цеховая, располагается в отдельном здании и предназначена для обеспечения холодом одного или нескольких параметров ряда потребителей, рассредоточенных на значительной территории промышленного предприятия. Взаимосвязь холодильных станций с потребителями холода (технологическими цехами) обеспечивается системой трубопроводов посредством циркуляции промежуточного хладоносителя. По принципу организации системы хладоснабжения разделяются на три типа: с непосредственным испарением хладагента в охлаждаемых технологических аппаратах; с промежуточным хладоносителем; смешанного типа. B зависимости от количества параметров холода, требуемых потребителю, связь между холодильной станцией и потребителем холода осуществляется несколькими трубопроводами. Если холод одной и той же температуры потребляют несколько технологических цехов, то в межцеховых коммуникациях образуется разветвленная сеть. На рис. 3.9 показана взаимосвязь холодильных установок холодильной станции и потребителей холода двух параметров в системе с непосредственным испарением. По трубопроводу 1 пары хладагента температурой -12 °С подают из цеха №1 к источнику холода на станции. По трубопроводу 2 пары хладагента температурой 0 °С поступают на холодильную станцию из цехов № 2 и 3. По трубопроводу 3 жидкий хладагент направляется от станции в технологические цеха. Трубопровод 4 предназначен для проведения вспомогательных операций: отсоса паров хладагента и передавливания жидкого хладагента парами высокого пения. Дренажный трубопровод 5 служит для отвода от технологических аппаратов жидкого хладагента, а трубопроводы 6 и 7 связывают холодильную станцию со складом. При использовании схемы с непосредственным испарением для работки холода расходуется меньше энергии, так как температура испарения здесь выше, чем в схеме с промежуточным хладоносителем. Следовательно, в компрессоре требуются меньшие степень повышения давления и удельная работа сжатия. Рис. 2.9. Взаимосвязь холодильных установок холодильной станции и потребителей холода в системе с непосредственным испарением В качестве рабочих сред для транспорта холода в системах с промежуточным хладоносителем (рис. 3.10) используются вода, растворы солей (CaCl2, NaCl и др.), этиленгликоль и прочие, выбираемые по температурному уровню холода. Циркуляция хладоносителя может осуществляться по схемам закрытого типа и открытого типа с разрывом струи. Рис. 3.10. Взаимосвязь холодильных установок холодильной станции и потребителей холода в системе с промежуточным хладоносителем По трубопроводам 1 и 3 хладоноситель температурой -12 и 0 °С поступает в технологические цеха от холодильной станции, а по трубопроводам 2 и 4 возвращается подогретым на 3-5 0С на станцию. Трубопровод 5 предназначен для слива из технологических аппаратов жидкого хладоносителя в ресивер холодильной станции, 6 - для получения дополнительного объема хладоносителя и передачи его избытка на склад. Смешанная схема хладоснабжения используется тогда, когда одна часть технологических аппаратов охлаждается по схеме испарительного охлаждения, а другая - по схеме с промежуточным хладоносителем. Связь источника холода и потребителей организуется комбинированием систем, представленных на рис. 2.9 и 2.10. На рис. 2.11 приведена технологическая схема станции для хладоснабжения производства полимерных пленочных материалов. Температура кипения хладагента R-22 в испарителе составляет -30 °С. На станции установлены три машины винтового типа на базе компрессоров 5ВХ-350/5ФС. Пары R-22 сжимаются в компрессоре 7 до давления конденсации и, проходя маслоотделитель 12, поступают в конденсатор 2. В теплообменнике охлаждающей средой является водa из системы оборотного водоснабжения. Отведенная теплота конденсации сбрасывается в атмосферу через градирню. Жидкий хладагент направляется в линейный ресивер 3, откуда, дросселируясь в дросселе от давления конденсации до давления испарения, подается в испаритель 4. Хладоноситель (CaCl2) возвращается от потребителя с.температурой -20 °С и охлаждается в испарителе до -25 °С за счет кипения :фреона. Затем охлажденный CaCl2 отправляется потребителю . На рис. 2.12 представлена принципиальная схема потребления холoдa в режиме «вода 7 °С». Захоложенная вода поступает из центральной холодильной станции, где установлены высокопроизводительные урбокомпрессорные холодильные установки типа ТХМВ-2000. Холодная вода используется в синтезе пленки в аппаратах очистки и охлаждения, в холодильнике фотоэмульсии и аппаратах подготовки воздуха для технологических процессов (калориферах сушилок фотопленки) и кондиционерах. 2.6. Системы водоснабжения и водоподготовки Системой технического водоснабжения называется комплекс сооружений, оборудования и трубопроводов, обеспечивающий забор природной воды из источника, ее очистку, охлаждение; специальную очистку, транспортировку и подачу потребителям, и сооружения, оборудования и установки, необходимые для приема отработавшей воды и подготовки ее для повторного использования. По принципу организации различают прямоточные, с последовательным использованием воды, оборотные и каскадные бессточные схемы водоснабжения. Для технических нужд используется вода из поверхностных источников. Подземные воды разрешается использовать только при необходимости обеспечения технологических циклов водой с температурой до 15 С и наличии запасов подземных вод, достаточных, как для хозяйственнопитьевых, так и для технических циклов. От 70% до 85% воды используется на предприятиях как хладоноситель, охлаждающий различную продукцию в теплообменниках или же защищающий различные элементы установок и машин от нагрева. Эта вода в цикле нагревается, но не загрязняется. От 5% до 12% технической воды используется в качестве среды, отмывающей продукцию или сырье от примесей, или же в качестве транспортирующей среды. Эта вода в цикле использования загрязняется примесями материалов и сырья и нагревается, если материалы, с которыми она контактирует, имеют высокую температуру. От 10% до 20% технической воды теряется за счет испарения (при грануляции жидких шлаков и т. п.) или входит в состав произведенной продукции (пар, сахар, хлеб и т. д.) В зависимости от изменения качества воды в цикле ее использования схемы оборотного водоснабжения подразделяются на чистые циклы для воды, которая при использовании только нагревается; грязные циклы для воды, которая при использовании только загрязняется. Объединение локальных схем водоснабжения в единую систему с каскадным использованием воды открывает возможности для снижения потребления свежей воды и создания бессточных систем водоснабжения предприятия. В этих системах продувочная вода чистых циклов используется для подпитки грязных циклов и сокращает потребление ими свежей воды. Если продувка чистых циклов превышает оборот грязных циклов в свежей воде, то ее избыток может отправляться на ХВО для умягчения и использования ее в котлах и аналогичных установках, безвозвратно потребляющих воду. Продувочную воду грязных циклов следует использовать для грануляции шлаков, тушения кокса и аналогичных нужд безвозвратного водопотребления. Разработка бессточных схем водоснабжения ПП и комплексов становится основным направлением в решении задач предотвращения загрязнения водоемов и экономного расходования свежей воды. Особое внимание при выборе систем технического водоснабжения на крупных ПП необходимо обращать на сочетание локальных и общезаводских систем, на объединение их с целью повторного использования стоков, так как использование очищенных сточных вод в системе оборотного водоснабжения является центральным вопросом общей проблемы перевода предприятий на бессточный режим. В сточных водах могут содержаться шламы, кислоты, масла, органические и ПА вещества и т. п. Наиболее целесообразно проводить очистку стоков от специфических загрязнений данной установки или производства, а затем централизованную от общих для большинства установок загрязнений. Очистку от механических примесей природных и сточных вод осуществляют в специальных сооружениях для осветления воды. В системах технического водоснабжения в качестве первой ступени осветления используются горизонтальные и радиальные отстойники, гидроциклоны, крупнозернистые фильтры, очищающие воду от частиц определенной крупности. При необходимости очистки воды и от мелкодисперсной взвеси используются в качестве второй ступени осветители и фильтры. Горизонтальные отстойники - железобетонные прямоугольные бассейны воды. Для выравнивания потоков в бассейнах через 5-6 м вертикальные продольные перегородки. Удаление осадка гидравлическое или механическое. Глубина горизонтально отстойника 1,5 - 3 м. Радиальные отстойники круглые бассейны. Вода через водораспределительный полый дырчатый цилиндр 4 - 8 м, размещенный в центре, поступает в бассейн и движется к его периферии и сливается в щели. 2.7. Системы оборотного водоснабжения Охлаждающим агентом в процессах конденсации и охлаждения технологических и энергетических потоков чаще всего является оборотная вода, поступающая из градирен. На предприятиях химического и нефтехимического комплексов 70-90 % общего объема воды систем оборотного водоснабжения используется на охлаждение и конденсацию технологических продуктов и рабочих агентов систем производства энергоносителей, а также в системах водяного или испарительного охлаждения конструктивных элементов технологических и силовых агрегатов. Система оборотного водоснабжения представляет собой промежуточное звено между охлаждаемым источником сбрасываемой теплоты и окружающей средой. Это звено необходимо лишь для того, чтобы повысить интенсивность передачи теплоты от технологического оборудования наружному воздуху, поэтому вся тепловая энергия, отводимая оборотной водой, безвозвратно теряется. Кроме того, наносится ущерб экосистеме промышленного района, так как наряду с химическими выбросами в окружающую среду поступают и так называемые «термические выбросы», объемы которых на крупных производственных комплексах достигают гигантских масштабов. Температура охлажденной технической воды зависит от параметров окружающей среды. В теплый период года ее температура возрастает на 10-20 °С и часто значительно превышает уровень, необходимый для нормальной эксплуатации технологического оборудования. В результате на предприятии снижаются производительность и качество выпускаемой продукции, существенно возрастает процент брака. Кроме того, повышение температуры оборотной воды до 35 0С приводит к интенсивному выпадению солей карбонатной жесткости на поверхности теплообмена, что ухудшает условия теплопередачи и снижает срок службы оборудования. Поскольку технологическая линия работает непрерывно в течение всего года, за исключением кратковременных периодов плановопредупредительных ремонтов, подбор оборудования, охлаждаемого оборотной водой, производят, исходя из расчетной температуры воды в наиболее теплое время года. В результате завышаются значения необходимой площади теплообменной поверхности и, следовательно, снижаются технико-экономические показатели устанавливаемого оборудования. Значительные потери технической воды происходят в процессе ее испарения и продувки системы оборотного водоснабжения. Эти потери составляют 5-7 % общей производительности системы. Контакт охлаждаемой в градирнях воды с атмосферным воздухом при водит к ее загрязнению и интенсивному зарастанию теплообменных поверхностей водорослями, ракушками и прочими биологическими образованиями. Для сооружения градирен необходимы большие территории, так как разрыв между градирнями и соседними объектами должен составлять 15-40 м. Несмотря на перечисленные недостатки, системы оборотного водоснабжения широко используются, поскольку просты В эксплуатации, не требуют больших капиталовложений, а себестоимость технической воды как хладоносителя не идет ни в какое сравнение со стоимостью холода, вырабатываемого парокомпрессионными холодильными установками. В целях снижения объемов сточных вод, а также уменьшения затрат на водоподготовку и обезвреживание стоков на промышленных предприятиях целесообразно организовывать замкнутые системы оборотного водоснабжения, поскольку оборотная вода, отводимая от потребителей, только нагревается, и ее химическое загрязнение возможно в случаях возникновения аварийных ситуаций. Системы оборотного водоснабжения разделяют на локальные, централизованные и групповые, объединяющие нескольких потребителей по территориальному признаку. В локальных системах каждый потребитель охлажденной воды связан с индивидуальным водоохлаждающим устройством. В централизованных системах обратная вода собирается от всех потребителей в единый коллектор и направляется в одну или несколько водоохлаждающих установок, размещенных на специально отведенной территории. Охлажденная вода распределяется между потребителями также по единому подающему коллектору (рис. 2.13). Групповые системы занимают промежуточное положение между локальными и централизованными системами. В настоящее время на крупных промышленных предприятиях получили распространение преимущественно централизованные системы, так как для них требуется наименьшее количество устанавливаемых водоохлаждающих устройств и транспортирующих насосов. Однако такие системы обладают недостатками, приводящими к чрезмерным материальным, энергетическим и эксплуатационным затратам. 1. При организации централизованных систем оборотного водоснабжения создается сложная разветвленная система водоводов, функционирование которой обеспечивается установкой высокопроизводительных насосов с электродвигателями высокого напряжения и большой установленной мощности. Известно, что общая установленная мощность оборудования в централизованных системах энергообеспечения оказывается существенно меньшей по сравнению с суммой установленных мощностей децентрализованных систем, предназначенных для обслуживания той же группы потребителей. Рис. 2.13. Централизованная система оборотного водоснабжения: П1-П6 – потребители охлажденной воды; Г – вентиляторная градирня; ПК – подающий коллектор; ОК – коллектор обратной воды; ПН, ОН – насосы подающей и обратной линий Однако возникают значительные дополнительные гидравлические потери, связанные с необходимостью транспорта воды на значительные расстояния и распределения ее между многочисленными потребителями. В связи с этим эффект от централизованной установки мощного напорного оборудования нельзя оценивать однозначно. 2. Производительность централизованных систем в реальных условиях не регулируется, т.е. при отключении или подключении ряда потребителей объем воды, циркулирующей в системе, не изменяется. 3. Температура в подающем и обратном коллекторах для всех потребителей одинакова, поскольку учесть эксплуатационные и режимные характеристики обслуживаемых объектов в данных условиях невозможно. 4. При остановке градирни для планового ремонта или возникновении аварийной ситуации всех потребителей необходимо переводить на водопроводную воду или полностью отключать от системы оборотного водоснабжения. 5. На химических и нефтехимических предприятиях достаточно высока вероятность местного загрязнения оборотной воды продуктами производства. Распространяясь по всей системе, оно может нанести ущерб потребителям, предъявляющим повышенные требования к качеству используемой воды. Замена всей оборотной воды в крупной централизованной системе требует больших экономических затрат, а в ряде случаев может оказаться неосуществимой. 6. Для обслуживания централизованной системы, которая включает в себя также и насосную станцию, нужно содержать специальный штат. Для эффективного управления и эксплуатации систем оборотного водоснабжения на крупных промышленных предприятиях, занимающих большие земельные пространства, целесообразно отказаться от ИХ централизации. Более предпочтительным представляется вариант, при котором потребители объединяются в группы по территориальному признаку и режимным характеристикам. Для обеспечения каждой группы оборотной водой используются локальные водоохладители, режим работы которых ориентируется на требования, предъявляемые конкретной группой потребителей. Локальные системы могут быть включены в технологическую схему потребителя охлажденной воды, размещаться в непосредственной близости от него, и не требуют дополнительного обслуживающего персонала. Водоохладители небольшой мощности в случае нехватки производственных площадей могут быть установлены как внутри здания, так и снаружи - на крышах, антресольных площадкax и т.п. Они позволяют обеспечить оптимальный режим работы индивидуального потребителя в отношении расхода, температуры и качества оборотной воды. Централизованные системы могут использоваться на небольших предприятиях при условии незначительных отклонений от требований потребителей к качеству и параметрам используемой оборотной 'воды. На крупных предприятиях из-за большого расхода охлаждающей воды в системах оборотного водоснабжения в качестве водоохлаждающего устройства используются градирни башенного и вентиляторного типов 3 производительностью более 1000 м /ч. При эксплуатации систем оборотного водоснабжения с водоохладителями такого типа возникают потери воды, зависящие от технологических условий их функционирования. Объем подпиточной воды Qп, м3/с, определяется из материального баланса системы QП=Qун+QТ+Qпр+Qисп (2.9) где Qун – потери воды с капельным уносом в градирнях (0,3-0,5 % суммарного объема циркулирующей воды), м3/с; QT – потери воды в технологических процессах (l % общего объема), м3/с; Qпр – продувка воды в системе (8-10 % суммарного объема), м3/с; Qисп – потери воды, испарившейся в градирне (2-3 % объема циркулирующей воды), м3/с. Для снижения удельных материальных и эксплуатационных затрат служат водоохладители эжекционного типа, которые относятся к прямоточным распылительным аппаратам. Вода впрыскивается в аппарат через форсунку 1 (или систему форсунок) под избыточным давлением 0,2-0,4 МПа (рис. 2.14). Максимальной энергетической эффективности распыления соответствует перепад давления на форсунке 0,2-0,3 МПа. Воздух эжектируется потоком капель и вовлекается в область зоны контакта 2. Достигнув стенок в зоне сепарации 3, капли воды теряют импульс и стекают в виде пленок в нижнюю часть аппарата. Учитывая, что организация систем оборотного водоснабжения сопряжена с большими капитальными вложениями и высокими эксплуатационными затратами на их содержание, крупные предприятия химического и нефтехимического комплексов заинтересованы в росте эффективности их работы. Наилучших результатов можно достичь, комбинируя следующие методы. 1. Интенсификация процессов охлаждения воды в градирнях. В частности, при установке устройств вторичного дробления капель воды за счет роста поверхности контакта с воздухом эффективность охлаждения возрастает на 1040%. К методам интенсификации водоохлаждающих устройств относятся: оптимизация систем орошения насадки градирен с учетом аэродинамических условий контакта; Рис. 2.13. Водоохладитель эжекционного типа с выносным сепаратором: 1 – зона контакта; 2 – зона сепарации; 3 – форсунка; 4 – закручивающие лопатки увеличение производительности градирни при сохранении температурного перепада; организация подачи дополнительного объема воздуха в приосевую область градирни. 2. Переход от централизованных систем оборотного водоснабжения к групповому и индивидуальному водоохлаждению на базе эффективных и компактных устройств, в том числе и эжекционного типа, позволяющих обеспечить оптимальный режим совместной эксплуатации технологического и энергетического оборудования. 3. Интенсификация теплообменного оборудования, обеспечивающего отвод теплоты от технологического продукта. В настоящее время в системах охлаждения и конденсации промышленных предприятий применяются в основном поверхностные теплообменники кожухотрубного, змеевикового и погружного типов. Для таких аппаратов хорошие результаты дают инерционные интенсификаторы различных форм и геометрических размеров. 4. Снижение нагрузки водоохлаждающих устройств за счет утилизации ВЭР охлаждаемых продуктов и конструкционных элементов. По условиям эксплуатации градирни могут обеспечить снижение температуры оборотной воды не более чем на 8-15 °С. В конструктивных элементах в целях предотвращения образования застойных зон организуют проточное охлаждение. При этом фактический нагрев воды не превышает 5-10 °С. Данные условия ограничивают потенциал ВЭР теплового сброса на уровне 30-40 °С, утилизация которого в ощутимых объемах на крупных промышленных производствах невозможна. Кроме того, на стадиях выделения и разделения продуктов нефтехимических производств часто организуется ступенчатое охлаждение верхних продуктов (рис. 2.15). Для повышения температурного напора и удельных нагрузок теплообменников на верхних ступенях в качестве рабочего агента используются аммиак, фреон и прочие хладагенты данной группы. В результате температура отводимой теплоты значительно снижается и приближается к температуре окружающей среды, что лишает ее какой-либо ценности. Возможность эффективного использования ВЭР появляется при организации замкнутой утилизационной системы, связывающей источник ВЭР (рис. 2.16), потребителя теплоты, а также, при необходимости, установку для повышения температуры ВЭР (теплонасосные установки, компрессоры, догреватели и пр.) и водоохлаждающee устройство. Для повышения тепловой и термодинамической эффективности системы целесообразно использовать высокоэффективные теплообменники на термосифонах или тепловых трубах, позволяющие обеспечить теплосъем при очень низких температурных напорах (менее Δtн= 5 °С). 5. При низких температурах наружного воздуха в целях экономии энергоресурсов и уменьшения вредного воздействия на окружающую среду следует переходить на воздушное охлаждение. В этот период испарение влаги сосредоточивается в приземной области, вызывая обмерзание сооружений. 2.8. Системы воздухоснабжения Системы воздухоснабжения промышленных предприятий предназначены для централизованного снабжения промышленных потребителей сжатым воздухом требуемых параметров в соответствии с расходом и графиком. Она включает в себя компрессорные и воздуходувные станции, трубопроводный и баллонный транспорт для подачи сжатого воздуха к потребителям, воздухосборные устройства - ресиверы и распределители самого предприятия. В зависимости от необходимых потребителям расходов воздуха и его давления станции оборудуются центробежными компрессорами с избыточным давлением сжатого воздуха 0,35÷0,9 МПа и единичной производительностью 250÷7000 м3/мин или поршневыми соответственно с давлением 3÷20 МПа и единичной производительностью не более 100 м3/мин. Коммуникации сжатого воздуха имеют радиальные и кольцевые участки. Последние применяют при компактном расположении потребителей, и при повышенных требованиях к надежности обеспечения сжатым воздухом. Сжатый воздух на ПП используется по двум основным направлениям: технологическому (для выплавки стали и чугуна, получения кислорода в разделительных установках) и силовому (для привода различных машин и механизмов, в горнодобывающей и кузнечных отраслях). На производство сжатого воздуха затрачивается 5% общего расхода электроэнергии на металлургических заводах и до 25÷30% на машиностроительных предприятиях и в горнодобывающей промышленности. При использовании электрического привода компрессоров удельный расход энергии на производство 1000 м3 сжатого воздуха составляет от 80 до 140 кВт·ч (в зависимости от давления сжатого воздуха, типа компрессорных машин, условий охлаждения и т.д.). При паровом приводе компрессоров удельный расход топлива на производство 1000 м3 сжатого воздуха составляет 17÷20 кг. Компрессорные станции включают в себя устройства для забора воздуха, очистки его от пыли, компрессоры, приводные двигатели, теплообменники охлаждения, вспомогательное оборудование (для осушки, очистки, изменения давления, аккумуляции воздуха). На компрессорной станции могут размещаться только компрессоры с электроприводом (обычно для машиностроительных предприятий) или компрессоры только с паротурбинным приводом (для агрегатов доменного дутья). Находят применение и комбинированные паровоздуходувные и электрические станции ТЭЦ-ПВС. Для обеспечения максимальной надежности воздухоснабжения производительность всех работающих компрессоров принимается максимальной длительной нагрузке, и на компрессорной станции устанавливают один резервный компрессор. Охлаждение воздуха в компрессорных установках осуществляется в промежуточных и концевых холодильниках. Промежуточное охлаждение позволяет снизить затраты энергии на сжатие воздуха. Охлаждение в концевых участках применяют в случае обеспечения технологических требований потребителя к температуре сжатого воздуха, а так же для безопасного транспорта его по трубопроводу. Промежуточные и концевые холодильники выполняются преимущественно кожухотрубчатыми и входят в состав компрессорной установки. Для большинства ПП требуется осушка воздуха после компрессора. Осушка необходима по технологическим требованиям, и для надежного транспорта и безопасности. Выбор метода осушки обосновывается техникоэкономическими сравнениями. Для сорбционной осушки воздуха используют в качестве адсорбента силикагели, алюмогели и цеолиты. Для осушки больших количеств воздуха допускается параллельное включение нескольких УОВ на один компрессор. Для осушки больших количеств воздуха используют фрионовые холодильники в комбинации с регенеративным воздуховоздушным теплообменником и системой отделения влаги. Для аккумуляции сжатого воздуха при его неравномерном потреблении и выравнивании давления в магистрали за поршневыми компрессорами устанавливают ресиверы. В системах с турбокомпрессорами роль ресиверов выполняют трубопроводы сжатого воздуха. Источниками сжатого воздуха, преимущественно являются централизованные компрессорные станции. На крупных производственных объединениях снабжение сжатым воздухом может осуществляется как от централизованных источников, так и от компрессоров, входящих в состав технологических блоков. Давление воздуха, используемого технологическими потребителями, колеблется от 0,4 до 20 МПа. Крупными потребителями сжатого воздуха являются технологические установки и агрегаты, где этот энергоноситель используется как необходимый компонент проведения топочных процессов (окислитель при сжигании топлива), а также сушилки, в которых он играет роль сушильного агента, системы пневмотранспорта, автоматики и пр. В промышленности крупными потребителями сжатого воздуха являются [40]: предприятия, изготавливающие азотную кислоту, где удельный расход воздуха давлением 0,5 МПа составляет 4000 м3/т конечного продукта, и серную кислоту - до 2000 м3/т конечного продукта и др. Обычно доля энергозатрат на сжатый воздух для технологических установок относится на общецеховые расходы, поэтому данная статья расходов в структуре себестоимости продукции не учитывается. Однако общая оценка энергопотребления различных нефтехимических производств показывает, что доля, приходящаяся на сжатый воздух, составляет до 5 % общего расхода энергии на производство конечного продукта. Системы, производящие сжатый воздух, сами являются крупнейшими потребителями энергии. Воздушные компрессоры обычно имеют электрический привод. Иногда, при наличии ВЭР избыточного давления, могут устанавливаться компрессоры с паротурбинным двигателем. На компрессорной станции допускается установка компрессоров с приводом одного типа (только электропривод или только паротурбинный привод). Удельный расход электроэнергии на производство сжатого воздуха составляет от 80 до 140 кВт∙ч/тыс. м3. В структуре себестоимости 1 тыс. м3 сжатого воздуха, без учета затрат на систему осушки, около 60 % приходится на затраты электроэнергии для привода компрессора, 15 % - на охлаждение воды. Таким образом, организация эффективных систем воздухоснабжения промышленных предприятий является актуальной проблемой. При проектировании или реконструкции действующих систем решается комплекс задач: разработка технологической схемы и выбор оборудования, обеспечивающего технико-экономические характеристики системы, близкие к оптимальным, надежность и бесперебойность ее работы; выработка энергоносителя необходимого качества, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым потребителем: по влагосодержанию, чистоте, теплофизическим и расходным параметрам. Для этого применяются различные методы осушки и устанавливается дополнительное оборудование – осушители, фильтры, теплообменники и пр.; выдача сжатого воздуха в соответствии с графиком потребления энергоносителя регулированием режимных параметров компрессора и установкой аккумуляторов; использование ВЭР компрессорной станции как для собственного потребления, так и для энергоснабжения смежных систем; организация экономичных и надежных систем коммуникаций, обеспечивающих минимальные затраты энергии для транспорта энергоносителя до наиболее удаленных потребителей. Воздушные компрессоры выбираются в зависимости от необходимого потребителям расхода и давления. Компрессоры центробежного типа обеспечивают нагрузку 250-7000 м3/мин с избыточным давлением воздуха до 0,9 МПа. Компрессоры поршневого типа рассчитаны на малую производительность (менее 100 м3/мин) с высоким избыточным давлением 3-20 МПа. Особенностью технологических систем компрессорных станций с поршневыми компрессорами является необходимость установки ресиверов для аккумулирования энергоносителя в целях сглаживания возникающих колебаний его расхода у потребителей. Турбокомпрессоры регулируют подачу энергоносителя в определенных пределах за счет изменения объема забираемого воздуха. Кроме того, используется дополнительная аккумулирующая способность протяженных воздуховодов. Распределительные воздуховоды могут иметь радиальные или кольцевые участки (рис. 2.17). Кольцевые участки организуются для повышения надежности системы воздухоснабжения потребителей энергоносителя. Рис. 2.17. Схема воздухоснабжения промышленного предприятия: К – воздушный турбокомпрессор; 1-7 – потребители сжатого воздуха Требования к качеству воздуха у потребителей могут существенно различаться: для силового пневмооборудования и инструментов используется воздух давлением 0,6-0,9 МПа с конечным влагосодержанием 0,4-0,6 г/кг, что соответствует температуре точки росы 4-6 °С; для технологических потребителей и пневматических систем автоматического регулирования требуется воздух давлением 0,3-1,3 МПа с конечным влагосодержанием 0,01-0,04 г/кг, что соответствует температуре точки росы -40 ... -50 0С. Важной задачей является организация эффективных систем осушки сжатого воздуха, которая может иметь несколько ступеней. В концевых воздухоохладителях в качестве хладоносителя используется оборотная вода или атмосферный воздух. Таким образом, осуществляется первая стадия уменьшения влагосодержания сжатого воздуха. Температура точки росы на этой стадии на 5- 15 °С превышает температуру охлаждающей среды. Более глубокая степень осушки достигается в специальных осушителях. Этот процесс может осуществляться несколькими способами: охлаждением воздуха до расчетной температуры и вымораживанием влаги в воздухоохладителях, куда подается хладоноситель от холодильной установки; адсорбцией водяного пара при продувании воздуха через адсорбент (селикагель, цеолит, активный глинозем); комбинированным способом, сочетающим вымораживание и адсорбцию. При организации системы осушки воздуха вымораживанием или комбинированным способом на компрессорной станции устанавливаются холодильные установки для выработки холода требуемых параметров. Из концевого воздухоохладителя воздух проходит через регенеративный теплообменник 1 (рис. 2.18), где охлаждается встречным потоком осушенного холодного воздуха. При этом происходит частичная конденсация влаги, которая затем удаляется влагоотделителем 2. Далее воздух поступает в охладительосушитель воздуха 3, где достигает расчетной температуры точки росы, соответствующей конечному влагосодержанию. Хладоснабжение теплообменников может быть организовано с непосредственным испарением хладагента или при помощи промежуточного хладоносителя. Осушенный воздух подогревается в регенеративном теплообменнике 1 и подается потребителю. При необходимости, догрев воздуха до требуемой температуры осуществляется в калориферах. В системах осушки адсорбцией воздух пропускается через один из попеременно работающих адсорберов (рис. 2.19), поглощающих содержащиеся в воздухе водяные пары. По истечении определенного периода времени адсорберы переключаются и насыщенный влагой адсорбер регенерируется, для чего он продувается сухим воздухом, нагретым до 170-250 °С в калорифере. В комбинированной системе осушки (рис. 2.20) воздух предварительно охлаждается в теплообменнике, а затем подается в адсорбер. При этом значительно продлевается период работы адсорбера между циклами регенерации и соответственно снижаются затраты тепловой энергии на этот процесс. Кроме того, предварительное охлаждение воздуха на входе в адсорбер улучшает условия его работы, так как возрастает поглотительная способность адсорбента. 2.18. 2.19. 2.20. 2.21. Принципиальная схема компрессорной установки с поршневыми двухступенчатыми компрессорами представлена на рис. 2.21. Воздух забирается через воздухозаборник 1, очищается от механических примесей в фильтре 2 и подается на вход первой ступени сжатия компрессора промежуточного давления 3. Рис. 2.22. Технологическая схема компрессорной станции: КМ – воздушный компрессор; ВЗ – воздухозаборник; Ф – фильтр; ПО – промежуточный охладитель; КО – концевой охладитель; ВО – влагоотделитель; РТО – регенеративный теплообменник; ОВ – охладитель воздуха; Н – насос; КД – конденсатоp; И – испаритель; КВ холодильный компрессор винтового типа; в – воздух; тв – технологическая вода; хн – промежуточный хладоноситель; ха – хладагент Перед подачей воздуха на вторую ступень сжатия производится его охлаждение оборотной водой в промежуточном воздухоохладителе 4. На выходе из второй ступени достигается требуемое давление сжатия, и воздух, проходя через концевой охладитель 5, влагомаслоотделитель 6, направляется в ресивервоздухосборник 7, откуда отпускается в магистральный воздуховод 8 потребителю. Слив масла и жидкости из концевого охладителя, влагомаслоотделителя и воздухосборника осуществляется через продувочный бак 9. В схеме установлены предохранительный клапан 10, пусковой вентиль 11, разгрузочный вентиль 12 и запорная арматура. На крупных промышленных предприятиях устанавливаются компрессоры центробежного типа. Технологическая схема компрессорной станции с компрессорами типа К-250-61-1 и 32-ВЦ-100/9 представлена на рис. 2.22. Воздух забирается через воздухозаборное устройство В3, очищается от пыли в фильтре Ф и поступает на вход в первую секцию компрессора. Между секциями в целях снижения удельной работы сжатия компрессора и потребляемой электрической мощности воздух охлаждается оборотной водой в промежуточных воздухоохладителях. В секциях компрессора температура энергоносителя повышается до 90-130 °С, а в промежуточном охладителе его температура снижается до 30-40 °С. Затем воздух охлаждается в концевом охладителе КО в целях снижения влагосодержания проходит влагоотделитель и направляется в воздушную магистраль потребителю. Часть воздуха проходит стадию осушки вымораживанием в холодильной. машине винтового типа. Для снижения нагрузки на холодильную установку перед подачей в систему осушки производится предварительное охлаждение воздуха в регенеративном теплообменнике встречным потоком холодного осушенного воздуха. В процессе осушки В теплообменниках-осушителях достигаются отрицательные температуры, что вызывает обмерзание поверхностей, и с течением времени интенсивность теплопередачи снижается. в связи с этим устанавливаются два теплообменника-осушителя, один из которых находится в рабочем режиме, а второй - в нерабочем (оттаивает). Воздух, поступающий в систему осушки, проходит размораживающий аппарат и охлаждается. Затем он направляется в осушитель, где достигает расчетной температуры, соответствующей конечному влагосодержанию. Через определенный промежуток времени теплообменники-осушители переключаются. Холодный осушенный воздух подогревается в регенеративном теплообменнике, при необходимости догревается калорифером и направляется к потребителю. 2.9. Системы кондиционирования воздуха Системы кондиционирования воздуха предназначены для обеспечения и автоматического поддержания в закрытых помещениях следующих параметров воздушной среды: температуры, влажности, давления, чистоты, скорости движения воздуха, газового и ионного состава. В производственных помещениях обычно производятся очистка (фильтрация), подогрев, охлаждение, осушка и увлажнение воздуха. Комплекс технических средств, осуществляющих требуемую обработку воздуха, а также его транспорт и распределение в обслуживаемых помещениях, включая источники тепло- и хладоснабжения, средства автоматического регулирования и контроля, составляет систему кондиционирования воздуха (СКВ). Устройство, в котором производятся обработка воздуха и его очистка, называется установкой кондиционирования воздуха (УКВ) или кондиционером. Капитальные затраты на СКВ в крупных, энергонасыщенных цехах достигают 20 % стоимости здания. Эксплуатационные затраты на СКВ в доле себестоимости продукции составляют примерно 7%. Классификация СКВ проводится по пяти признакам: назначению, характеру связи с обслуживаемым помещением, способу обеспечения холодом, схеме обработки воздуха в УКВ и напору, развиваемому вентилятором. По назначению СКВ подразделяются на комфортные, технологические и технологически комфортные. Технологические СКВ создают наиболее благоприятную воздушную среду для технологического процесса без учета воздействия ее на организм человека. Комфортные СКВ обеспечивают наиболее благоприятные условия для труда и отдыха. Технологически комфортные СКБ создают и поддерживают параметры воздушной среды, благоприятные для проведения технологического процесса и одновременно достаточно комфортные для обслуживающего персонала. По режиму работы СКВ подразделяются на круглогодичные, рассчитанные на поддержание определенных параметров в течение всего года, и сезонные, режим работы которых изменяется: летом осуществляются охлаждение и осушка воздуха, зимой – подогрев и увлажнение. По характеру связи с обслуживающими помещениями различают центральные, местные и центрально-местные СКВ, а по схеме обработки воздуха - прямоточные и с рециркуляцией. Организация СКБ холодом может быть автономная, неавтономная и испарительная. Неавтономные системы снабжаются холодом от централизованных холодильных станций, автономные исп6льзуют встроенные в УКВ источники холода- местные холодильные установки, а испарительные системы используют эффект охлаждения воздуха за счет испарения воды. Системы кондиционирования воздуха могут быть низкого (1000Па), среднего (от 1000 до 3000 Па) и высокого более (3000Па), давлений. Выбор той или иной схемы СКВ зависит от типа обслуживаемого помещения, удаленности помещений друг от друга, наличия значительных тепловых внутренних выделений (особенно интенсивных в энергонасыщенных цехах), утечек вредных веществ и пр. На рис. 2.23 представлена принципиальная схема центрального кондиционера. Свежий воздух поступает через воздухозаборник 1, очищается в фильтре 3, проходит первую ступень подогревателя воздуха (в теплое время года не работает) и подается в оросительную камеру 6. Рис. 2.23. Принципиальная схема центрального кондиционера: 1 – воздухозаборник; 2 – приемная камера; 3 – фильтр; 4 – смесительная камера; 5 – воздухонагреватель первой ступени; 6 – оросительная камера; 7 – вентилятор; 8 – воздухонигреватель второй ступени; 9 – кондиционируемое помещение; 10 – вытяжной вентилятор; 11 – водяной насос Затем вентилятором 7 приточный воздух подается во вторую ступень воздухонагревателя 8, направляется в обслуживаемое помещение 9 и вытяжным вентилятором 10 сбрасывается в атмосферу. Часть воздуха может подаваться в линию рециркуляции СКБ. Охлажденная в холодильной машине вода температурой 4-10 °С направляется в оросительную камеру. В качестве теплоносителя первой и второй ступени подогрева используется водяной пар давлением 0,15-0,3 МПа или горячая вода из системы горячего водоснабжения температурой 95-150 °С. Экономия тепловой энергии в прямоточных СКБ достигается в зимнее время за счет утилизации теплоты вентиляционных выбросов. Температура вытяжного воздуха обычно находится в пределах 20-25 °С, а температура нагреваемого наружного воздуха в довольно длительный холодный период времени отрицательна. Разность температур между теплообменивающимися воздушными потоками составляет 50-60°С. Необходимо отметить, что используемая для передачи теплоты поверхность теплообмена и металлоемкость, а следовательно, и капитальные затраты теплообменников-утилизаторов достаточно велики. Но технико-экономические расчеты показывают, что установка утилизатора окупается в течение двух-трех лет. 2.10. Системы газоснабжения Для обеспечения потребителей горючими газами в рамках промышленного предприятия создается система газоснабжения, которая входя в состав СТЭС ПП, является и одной из подсистем системы газоснабжения страны или региона, объединенной с ней единым гидравлическим режимом добычи, транспорта, хранения и распределения газа. Система газоснабжения ПП - комплекс сооружений, установок, трубопроводов, регулирующих, смесительных и других устройств, обеспечивающих: 1. прием природного газа в заводскую газовую сеть непосредственно из магистрального газопровода или от городских газовых распределительных сетей, и поддержание необходимых параметров газа в межцеховых и внутрицеховых сетях, распределение и подачу его потребителям; 2. прием в автономную систему заводских газопроводов искусственных горючих газов, образовавшихся в технологических циклах, их очистку, приведение полученных параметров к уровню параметров, необходимых потребителю, смешение с другими горючими газами, транспортировку, распределение и подачу к потребителям; 3. производство искусственных горючих газов на заводских газогенераторных станциях (ГГС), их очистку, повышение давления и подачу через автономную систему газопроводов к потребителям. Система газоснабжения должна обеспечивать бесперебойную подачу газа к потребителям, безопасные условия эксплуатации, возможность отключения отдельных элементов для производства ремонтов и для перевода потребителя на использование резервного топлива. На большинстве ПП в качестве топлива, а на множественных нефтехимических и химических заводах и в качестве технологического сырья, используют природные горючие газы. На предприятиях, нуждающихся в газовом сырье и топливе, но расположенных вне зоны действия газопроводов природного газа, искусственные горючие газы вырабатываются из твердого топлива, либо из нефтепродуктов на ГГС. На предприятиях некоторых отраслей при выработке технологической продукции побочно получают искусственные горючие газы, объединяемые термином горючие газы ВЭР. Структура системы газоснабжения Выбирается в зависимости от группы, к которой оно относится: 1 группа: предприятия только потребляющие горючие газы; 2 группа: предприятия, которые сами вырабатывают горючие газы, но его количество не покрывает собственные нужды; 3 группа: предприятия, полностью обеспечивающие свои потребности газом собственной выработки; 4 группа: предприятия, у которых выработка искусственных газов превышает собственные нужды. Одноступенчатая схема - снабжение природным газом применяется, когда всем потребителям необходим газ с избыточным давлением ниже 0,005 МПа. Двухступенчатая схема - когда в городской сети поддерживается среднее давление (0,005 0,3 МПа) или высокое (0,3 1,2МПа) избыточное давление, а цехам необходим газ низкого и среднего давления. Трехступенчатая схема - предусматривает получение газа от городской сети высокого давления с обеспечением потребителей газом высокого, среднего и низкого давления. На предприятиях второй, третьей и четвертой групп создается автономная схема газоснабжения искусственным газом. Доменный газ с давлением 0,25 0,35 МПа очищается от пыли в мокрых газоочистках и направляется в газовую утилизационную бескомпрессорную турбину (ГУБТ), в которой расширяется до давления 0,115 МПа и поступает в систему заводских газопроводов доменного газа. Генератор, вращаемый ГУБТ, вырабатывает электроэнергию, направляемую в систему электроснабжения предприятия. Коксовый газ перед поступлением в заводской газопровод проходит очистку, а его давление повышается на газоповысительной станции (ГПС). Потребители, использующие смесь коксового и доменного газов, получают ее от газосмесительных станций (ГСС). При избытке природного газа и дефиците коксового и доменного, на предприятиях сооружаются ГГС или установки, перерабатывающие нефтепродукты для выработки искусственных газов, которые после повышения давления на ГПС поступают к потребителям по своим газопроводам. 2.11. Общие и отличительные принципы построения подсистем Теплоэнергетические системы промышленных предприятий (ТЭС ПП) объединяют потоки всех энергоресурсов (ЭР) на предприятии, как поступающих со стороны, так и внутренних (ВЭР), с целью их наиболее полного и рационального использования. При этом должны быть обеспечены: бесперебойное снабжение ЭР всех потребителей и защита окружающей среды. ТЭС любого предприятия определяется характером его производства, и энергетическими и режимными характеристиками входящих в него технологических агрегатов и производств. Энергетическая эффективность и экономичность данного технологического производства зависит от множественных предприятий, особенно энергоемких, от совершенства ТЭС ПП. Так как при этом существуют обратные взаимодействия, оптимизацию ТЭС ПП и технологии производства надо вести совместно. При построении оптимальной ТЭС ПП надо комплексно рассматривать следующие факторы: 1. неизбежную неоднозначность исходной информации, крайне не желательно ограничиваться только расчетами по различным средним значениям влияющих факторов (годовым, сезонным, суточным и часовым); 2. реальные графики потребления различных ЭР технологическими агрегатами и производствами, и реальные графики выхода ВЭР, вплоть до часовых, с учетом режимных характеристик и условий работы технологических агрегатов; 3. нештатные ситуации, когда, например, от 10 20 минут до нескольких часов крупные источники ВЭР прекращают их выдачу, и перерывы в потреблении ВЭР крупными потребителями; 4. возможную многовариантность в выборе направления и способов использования различных ВЭР, и их параметров; 5. влияние возможных в обозримом будущем изменений технологических циклов на размеры выхода ВЭР; 6. возможную мультипликацию погрешностей в расчетах; 7. условность и временность различных цен, искажающих народнохозяйственную эффективность того или иного мероприятия. Решение задачи построения ТЭС ПП могло бы значительно облегчить наличие полноценных однозначных показателей степени совершенства ее построения, как в целом, так и отдельных ее частей и установок. Для металлургических заводов могут быть целесообразными следующие показатели энергетического совершенства ТЭС ПП: 1. обеспеченность бесперебойного снабжения основных потребителей энергоресурсами требующихся видов и параметров; 2. минимальное потребление на единицу готовой продукции топлива и электроэнергии со стороны с учетом народнохозяйственной ценности топлива, потребляемого предприятием; 3. степень и эффективность использования внутренних энергоресурсов, в частности низкопотенциальных; 4. минимум или даже отсутствие потерь энергоресурсов из-за различных дебалансов и наиболее эффективное использование имеющихся энергоресурсов с народнохозяйственной точки зрения; 5. минимум капитальных затрат на ТЭС ПП; 6. минимальное загрязнение окружающей среды; 7. минимум приведенных затрат. Оптимальное научно обоснованное построение ТЭС ПП имеет большое значение для энергетических, экономических и экологических показателей работы предприятий. 2.12. Принципы приема, распределения и использования ресурса в различных системах Выбор базовой схемы присоединения определяет режим работы и метод проектирования всей системы теплоснабжения. Так, например, выбор непосредственной или независимой схемы присоединения горячего водоснабжения предопределяет соответственно выбор открытой и закрытой систем теплоснабжения, имеющих различные принципы расчета, регулирования, оборудования и автоматики. При открытой системе теплоснабжения выбор схемы присоединения определяется лишь необходимостью установки аккумулятора горячей воды. Установка аккумулятора обычно предписывается нормами проектирования или заданием энергоснабжающей организации. Те же правила действуют и при закрытых системах теплоснабжения. Однако, в некоторых случаях при закрытых системах теплоснабжения вопрос об установке аккумуляторов решается экономическим расчетом. Аккумуляторы, позволяя создать запас горячей воды, выравнивают и, следовательно, снижают расход сетевой воды и тепловую нагрузку подогревателей горячего водоснабжения. Контрольные вопросы и задания к теме 2 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Какая доля тепловой энергии поступает на промышленные предприятия от собственных источников? Охарактеризуйте все составляющие (ТЭЦ, котельные и т.п.). По каким признакам классифицируются системы технологического пароснабжения? Приведите характеристику структуры теплопотребления промышленного предприятия по основным статьям присоединенной тепловой нагрузки (технологическая, отопительно-вентиляционная, санитарно-техническая и пр.). Перечислите основные составляющие тепловых потерь с не возвращенным конденсатом. В каких случаях на промышленных предприятиях допускается сооружать системы открытого типа сбора и возврата конденсата? Возможна ли ситуация, когда организация систем сбора и возврата конденсата оказывается экономически нецелесообразной? На примере принципиальных схем покажите, в чем различие систем сбора и возврата конденсата открытого и закрытого типов? Каковы пределы изменения режимных характеристик этих схем (температуры, давления, расхода и пр.)? Объясните методику построения пароконденсатного баланса производственного участка. Какие мероприятия позволяют повысить эффективность работы пароконденсатных систем? Каким образом осуществляется взаимосвязь между источником холода и потребителем в системах хладоснабжения с непосредственным испарением хладагента? 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. Как организуется взаимосвязь между источником холода и потребителем в системах хладоснабжения с промежуточным хладоносителем? Какими преимуществами и недостатками обладают такие системы по сравнению с системами непосредственного испарения хладагента? Перечислите достоинства и недостатки, которыми обладают централизованные системы оборотного водоснабжения? Объясните принцип работы водоохладителя эжекционного типа. Какие методы позволяют повысить эффективность работы систем оборотного водоохлаждения? Какие условия следует учитывать при организации систем воздухоснабжения промышленного предприятия? Объясните принципы работы систем воздухоснабжения с установкой поршневых и центробежных компрессоров и укажите их различия. Какие методы осушки используются в системах централизованного воздухоснабжения. По каким критериям выбирается тот или иной метод? Укажите признаки, по которым проводится классификация систем кондиционирования воздуха. Объясните принцип работы центрального кондиционера. Каким образом можно повысить эффективность его работы в зимнее время года? Задача 2.1. Составить пароконденсатный баланс производственного участка и определить тепловые потери, связанные с невозвратом конденсата источнику пароснабжения. Исходные данные к расчету приведены в табл. К.3.1. Данные к составлению пароконденсатного баланса Таблица К.2.1 Вариан т Расход пара на производственном участке Условия, поддерживаемые в канденсатосборнике Давление Температура % , МПа , °С возврат а 1 2 3 DП, PП, кг/с МП а DП, PП, кг/ МП с а DП, PП, кг/с МП а 1 2 0,6 3,2 0,8 4,8 0,4 0,1 95 70 2 4,1 0,5 4,7 0,6 0,9 1 0,12 90 60 3 10, 2 0,7 1,2 0,5 1,3 4 0,9 0,1 97 80 4 5,7 0,9 6,3 0,4 2,8 0,6 0,12 95 55 5 4,3 0,6 5,5 0,9 6 0,4 0,1 95 30 6 1,2 0,4 2,8 0,5 9,6 0,6 0,12 85 75 Пример решения задачи Исходные данные. На производственный участок поступает пар давлением РК = 1 МПа в количестве 7 кг/с. Конденсатосборник - открытого типа. Определить потери теплоты, связанные с невозвратом конденсата источнику пароснабжения в размере 30 %. Решение. Доля возврата конденсата источнику составляет по условию задачи 70%. При этом по (2.1)-(2.3): потери чистого конденсата составляют GK=0,3∙7=2,1 кг/с; потери конденсата с пролетным паром Gпр=0,21∙7∙0,3≈0,25 кг/с; потери конденсата с паром вторичного вскипания Gв.в=0,1∙7=0,7 кг/с. Суммарное количество конденсата, не возвращенного в источник теплоснабжения, равно ∑G=2,1+0,25+0,7=3,05 кг/с. Энтальпия насыщенного конденсата (см. табл. П.2.l) при заданных условиях hпр=763,1 кДж/кг; энтальпия пролетного пара, определенная по давлению греющего пара в состоянии насыщения hпр=2777,1 кДж/кг; энтальпия пара вторичного вскипания, определенная при атмосферном давлении, hв.в=2676,3 кДж/кг. Суммарные потери тепла, связанные с невозвратом конденсата источнику, определяются по (2.4): ∑Q=2,1∙763,1+0,25∙2777,1+0,7∙2672,3=4170,2 кВт. Тепловые потери с невозвращенным конденсатом по отношению к количеству теплоты, подведенной в паропотребляющий аппарат, равны ê 4170,2 100% 21,5% 7 2777,1 Таким образом, при заданных условиях потери теплоты составили более 20 % теплоты, поступившей на производственный участок с греющим паром. Задача 2.2. Определить количество пара вторичного вскипания, которое можно получить при расширении насыщенного конденсата высокого давления. Исходные данные к расчету приведены в табл. К.3.2 Данные к расчету выхода пара вторичного вскипания Таблица К.2.2 Вариант Поступление конденсата от потребителей пара 1 2 3 Давление, поддерживаемое в бачке – сепараторе р0, МПа DП, кг/с рП, DП, МПа кг/с рП, DП, МПа кг/с рП, МПа 1 10 0,6 5,6 0,8 7,3 0,9 0,2 2 2,2 0,5 4,7 0,7 4,2 0,8 0,15 3 5,2 0,9 3,9 0,5 1,4 1 0,4 4 3,9 0,5 2 0,8 9,8 0,6 0,2 5 1,3 1 6,5 0,9 2,4 0,7 0,4 6 7,5 0,4 6,1 0,6 6,9 0,5 0,15 Пример решения задачи Исходные данные. В сборный бачок-сепаратор поступает конденсат давлением РК=0,6 МПа в количестве 5,2 кг/с. Определить, сколько выделится пара вторичного вскипания при расширении конденсата до давления Р0=0,2 МПа. Решенuе. Энтальпия конденсата высокого давления определяется (см. П.2.1) по давлению насыщения РК и равна hK = 666,8 кДж/кг Энтальпия конденсата низкого давления определяется по давлению насыщения пара и равна h0≈503,7 кДж/кг; скрытая теплота парообразования при этом же давлении r0=2202,9 кДж/кг. Доля пара вторичного вскипания βв.в образующегося при снижении давления от рК до р0, составляет â.â 666,8 503,7 0,074. 2202,9 Выход пара вторичного вскипания на выходе из бачка сепаратора определяется соотношением Dв.в=βв.вGк И равен Dв.в=0,074∙5,2=0,39 кг/с Количество теплоты, которое может быть сэкономлено с паром вторичного вскипания, кВт, Qâýê.â 0,39 503,7 169,4 кВт. Вследствие того что перепад давления в бачке – сепараторе невелик, выход пара вторичного вскипания составил всего 7,4%. Приложение к теме 2 Термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения Таблица П.2.1 Окончание табл. П.2.1 Термодинамические свойства воды и перегретого пара Таблица П.2.2 Продолжение табл. П.2.2 Продолжение табл. П.2.2 Продолжение табл. П.2.2 Продолжение табл. П.2.2 Окончание табл. П.2.2 Образование пара вторичного вскипания при снижении давления конденсата Таблица П.2.3 Окончание табл. П.2.3 ТЕМА 3. ОРГАНИЗАЦИЯ УТИЛИЗАЦИОННЫХ СИСТЕМ ТЕПЛО- И ХЛАДОСНАБЖЕНИЯ 3.1. Утилизация теплоты в системах тепло- и хладоснабжения промышленных предприятий Одним из наиболее привлекательных направлений развития теплотехнологических и теплоэнергетических систем промышленных предприятий является организация утилизационных систем, позволяющих использовать сбрасываемую теплоту на производственные, отопительновентиляционные, санитарно-технические и иные нужды промышленных предприятий. Особую важность эта задача приобретает для промышленных технологий химических и нефтехимических производств, связанных с выделением и разделением основных и побочных продуктов. Нагрузка теплоотводящих систем здесь часто превышает внешнее теплопотребление, так как процессы охлаждения производятся при температурах, близких к температуре окружающей среды, и сопровождаются передачей скрытой теплоты конденсации. Для повышения степени регенерации теплоты в утилизационных системах требуется высокоэффективное теплообменное оборудование, к которому, в частности, относятся теплообменники на тепловых трубах и термосифонах (рис. 3.1 и 3.3). Межтрубное пространство теплообменника с тепловыми элементами, выполненными в виде гравитационных термосифонов, разделено на зоны испарения и конденсации. В зоне испарения за счет подвода теплоты ВЭР происходит парообразование внутреннего теплоносителя, заключенного в пространстве запаянной трубы. В зоне конденсации за счет отвода теплоты внешним теплоносителем происходит конденсация внутреннего теплоносителя, который в виде пленки стекает в нижнюю зону испарения трубы (рис. 3.2). В процессе передачи теплоты фазового перехода ВЭР может утилизироваться при разнице температур 2—5 °С между зонами испарения и конденсации, что очень важно для повышения термодинамической эффективности низкопотенциальных утилизационных систем тепло- и хладоснабжения. Рис. 3.1. Общий вид теплообменника на термосифонах 1 – конденсатопровод, 2 – коллектор, 3 – зона конденсации, 4 – паровая сборная камера, 5 – оребренные трубы, 6 – паропровод, 7 – камера статического давления, 8 – зона испарения, 9 – конденсатосборная камера. Рис. 9.2. Тепловой элемент теплообменника на термосифонах Каждый тепловой элемент такого аппарата представляет собой замкнутую испарительно-конденсатную систему в форме герметичной полости, заполненной жидкостью, температура насыщения которой близка к температуре охлаждаемого объекта. Термосифонные теплообменники называют также гравитационными, так как возвращение конденсата из зоны конденсации в зону испарения происходит самотеком. Конструктивное исполнение термосифонов может быть различным — в форме заполненных труб, щелевых каналов пластинчатых теплообменников, в виде лопаток центробежного вентилятора, коллектора солнечной энергии и т.п. Однако в традиционных теплотехнических и энергетических системах нашли применение преимущественно трубчатые и пластинчатые конструкции. Достоинства гравитационных теплообменников очевидны: каждая теплопередающая труба является автономным элементом, разгерметизация которого не может привести к контакту теплообменивающих средств; отсутствие подвижных деталей и узлов; высокая эффективность теплопередающих поверхностей и относительно низкая металлоемкость теплообменного оборудования; простота конструкции и надежная эксплуатация; практически неограниченный срок службы; возможность установки в труднодоступных местах, что особенно важно при организации систем охлаждения конструктивных элементов с последующей утилизацией сбрасываемой теплоты. Недостатком теплопередающих труб является небольшая длина (менее 5 м), что не дает возможности рассредоточить источник ВЭР и потребителя теплоты, которые могут находиться на значительном расстоянии друг от друга. Однако при организации замкнутой утилизационной системы с промежуточным теплоносителем это обстоятельство не имеет существенного значения. Гравитационные термосифоны располагаются вертикально или под углом к горизонту. Минимально допустимый угол установки составляет 5—7°. При выборе рабочего теплоносителя рекомендуется проводить сравнительную оценку по характеристике Ω (Вт/м1,78 • °С0,78), описываемой зависимостью: (3.1) где tи —температура кипения (испарения) теплоносителя, °С; g — ускорение свободного падения, м/с2; ρт, λт, µ т — плотность, кг/м3, теплопроводность, Вт/(м • °С), и динамическая вязкость, Па • с. Теплопередача, осуществляемая в отдельном термосифонном элементе, зависит от перепада температур на «холодном» и «горячем» участках теплопередающей трубы. Максимальная теплопередача соответствует объему теплоносителя, равному 15—25 % внутреннего объема трубы. Эффективность установки утилизационного теплообменника на термосифонах зависит от соотношения поверхностей теплообмена в зонах испарения и конденсации. Наилучшие показатели достигаются при выполнении условия (3.2) где Кк и Ки — коэффициенты теплопередачи в зонах конденсации и испарения. Площадь теплового элемента в действительности может быть больше суммы (Fи + Fк), так как часть длины теплопередающей трубы может не участвовать в процессе теплопередачи, а являться связующим звеном между зонами испарения и конденсации. Такой участок называется изотермическим. В настоящее время теплообменники на термосифонах в основном выпускаются с тепловыми элементами, изготовленными из меди, никеля, алюминия и стали, ребристыми со стороны межтрубного пространства. Вследствие того что в каждой теплопередающей трубе передается теплота фазового превращения внутреннего теплоносителя, тепловые элементы характеризуются большой приведенной теплопроводностью, по сравнению с которой теплопроводность материала стенки очень мала. В теплообменниках на тепловых трубах перенос объемов рабочей среды и положение границы раздела фаз определяется капиллярными силами, возникающими в пористой набивке, которая заполняет внутреннее пространство трубы. Жидкость поднимается вверх, к зоне испарения, пар сосредоточивается внизу, в зоне конденсации (рис. 3.3). При этом угол наклона теплового элемента может быть любым. Допускается горизонтальное размещение теплового элемента. Рис. 3.3. Тепловой элемент теплообменники на тепловых трубах 1 – зона отвода теплоты, 2 – зона отвода теплоты, 3 – пар, 4 – конденсат, 5 – пористая набивка (фитиль). 3.2. Организация централизованной утилизационной системы тепло- и хладоснабжения На промышленных предприятиях часто давление пара, поступающего от ТЭЦ, значительно превышает требуемое. В частности, при изучении системы пароснабжения стадии дегидрирования изоамиленов в изопрен выявлено, что здесь производится дросселирование пара давлением от 1,3 до 0,5 МПа. Всего от ТЭЦ на стадию дегидрирования подается 159,12 т/ч пара (для разбавления 1т изоамиленовой фракции 5,6 т пара). В котлах-утилизаторах вырабатывается 105,768 т/ч пара. Полное потребление водяного пара на стадии составляет 264,88 т/ч, что существенно влияет на себестоимость получаемого изопрена. Замещение схемы с дросселированием пара схемой с пароструйными компрессорами для повышения температуры пара вторичного вскипания конденсата позволит значительно снизить потребление пара от ТЭЦ. Централизованная утилизационная система представляет собой замкнутый контур, в котором циркулирует промежуточный теплоноситель (рис. 3.4), последовательно проходя ступени нагрева за счет использования теплоты ВЭР; буферный подогреватель, в который подается теплота от внешнего источника; ступени охлаждения за счет передачи теплоты потребителям; буферный охладитель. Рис. 3.4. Принципиальная схема централизованной утилизационной системы БО — буферный охладитель; БП — буферный подогреватель; ТТ — термосифонный теплообменник Для исключения контакта теплообменивающихся сред, что может произойти в условиях эксплуатации теплообменного оборудования технологических систем, а также для снижения температуры и необратимых потерь при передаче теплоты целесообразно использовать теплообменники на тепловых трубах или термосифонах. Теплота, утилизированная в данной системе, может быть использована в технологических узлах t<150 °С, или в системах отопления и вентиляции, работающих в температурном режиме 130/70 °С, и пр. Анализ выхода ВЭР ряда химических и нефтехимических производств показал, что 60 % ВЭР имеют температуру менее 70°С; 30 % ВЭР — 70—150°С; 10 % ВЭР — более 150°С. Таким образом, объемы ВЭР температурой 40—70°С значительно превышают объемы ВЭР более высоких температур. Поэтому для исключения чрезмерных нагрузок на буферные теплообменники-подогреватели необходимо организовать перераспределение циркулирующего теплоносителя, т.е. часть рабочей среды отбирать от подогревающей ветви (t < 70 °С) и направлять ее на охлаждающую. Теплота таких параметров в полной мере применения не находит. Повышение доли использования ВЭР может быть организовано за счет подключения к системе парокомпрессионных теплонасосных установок или АТТ, работающих в режиме теплового насоса для повышения температуры теплоносителя до 90—130 °С. Теплота температурой 70—130 °С направляется непосредственно на нужды теплотехнологии и выработку холода различных параметров при помощи АТТ: для получения захоложенной воды температурой 5—10 °С (на АБХМ достаточно 70— 90 °С) и выработки холода температурой 5...-40 °С (температура ВЭР должна быть 90—130°С). Кроме того, температура утилизируемой теплоты 105—130 °С вполне достаточна для систем отопления и вентиляции промышленного предприятия. Утилизируемые ВЭР температурой 130—150 °С, имеющие более «качественные» термодинамические характеристики, находят широкое применение в теплотехнологии и могут быть использованы для получения холода более низкой температуры -40 °С. Основой централизованной утилизационной системы являются два контура (рис. 9.5), объединенных между собой промежуточной емкостью. В контурах обеспечивается непрерывный транспорт теплоты от источников к потребителям. Первый контур служит для организации отвода теплоты дымовых газов трубчатых печей и парогазовой смеси после котлов-утилизаторов за счет нагрева циркулирующей в контуре воды от 90 до 150 °С. Теплота от дымовых газов трубчатых печей отводится в котлах-утилизаторах на термосифонах (КУТТ) 7, установленных в боровах печей пяти малых систем, и змеевиках б, устанавливаемых в верхней части трубчатой печи шестой системы. Теплота от парогазовой смеси отводится в теплообменниках на термосифонах 8, устанавливаемых на линии парогазовой смеси перед скрубберами первой ступени. Питательная вода подается в котлы-утилизаторы всех шести систем после сепаратора 1 температурой 120 °С. Рис. 3.5. Утилизационная система в энерготехнологическом производстве изопрена Горячая циркуляционная вода температурой 150 °С используется как источник образования пара вторичного вскипания. Для этого производится расширение потока в сепараторе 1 с образованием пара вторичного вскипания за счет снижения давления с 0,5 МПа в трубопроводе циркуляционной воды до 0,2 МПа в сепараторе 1. Образовавшийся пар вторичного вскипания отсасывается пароструйным компрессором, в котором используется энергия расширения пара с ТЭЦ от давления 1,3 МПа до технологического давления 0,45 МПа. Такое решение позволяет полезно использовать энергию расширения, теряемую при вынужденном дросселировании водяного пара. После сепаратора 1 циркуляционная вода температурой 120 °С насосами подается на питание котлов-утилизаторов и в теплообменник 2, где осуществляется подогрев технологической воды с 90 до 110 °С. На выходе из теплообменника 2 циркуляционная вода охлаждается в теплообменнике 4 от 100 до 90 °С и поступает в промежуточную емкость 5. Подпитка первого контура осуществляется водой, последовательно подогреваемой от 20 до 90 °С в теплообменниках 15, 16, 17 за счет охлаждения сливаемого в химически загрязненную канализацию (ХЗК) конденсата контактного газа и охлаждения циркуляционной воды в теплообменнике 4. Второй контур организуется для утилизации теплоты конденсата контактного газа, отводимого от скрубберов и конденсаторов систем дегидрирования. Циркуляционная вода второго контура температурой 40 °С подается в теплообменник 12, где подогревается до 73,5 °С за счет охлаждения конденсата контактного газа от 88 до 60 °С. В теплообменнике 12 осуществляется охлаждение конденсата контактного газа после скрубберов технологической системы. Конденсат контактного газа на выходе из скрубберов сначала поступает в емкость 10. Средняя температура воды в емкости 88 °С. Из емкости 10 конденсат контактного газа насосами прокачивается через теплообменник 12, где охлаждается до расчетной температуры, после чего распределяется по скрубберам последующих ступеней технологической системы. Излишек конденсата контактного газа после использования для подогрева подпиточной воды в теплообменнике 15 сбрасывается в ХЗК с температурой 37 °С. Предлагаемая схема охлаждения скрубберов отличается от существующей схемы охлаждения конденсата контактного газа и позволяет сконцентрировать утилизационное оборудование в одном месте, что повышает надежность работы схемы и снизить потребление оборотной воды. Циркуляционная вода температурой 73,5 °С подается в теплообменники 13 и 14, в которых подогревается соответственно до 90 и 80 °С за счет охлаждения конденсата контактного газа с температурой 104 °С. В 13 и 14 используется конденсат контактного газа после скрубберов 7, 15 и конденсатора 9. Конденсат контактного газа, отводимый из скрубберов, поступает в емкость 11, средняя температура воды в которой составляет 104 °С. Излишек конденсата контактного газа после подогрева подпиточной воды в теплообменниках 16 и 17 сбрасывается в ХЗК с температурой 37 °С. После теплообменников 13 и 14 циркуляционная вода поступает в промежуточную емкость 5. Из емкости 5 циркуляционная вода с температурой 90 °С поступает в АБХМ За, в которой вырабатывается захоложенная вода с температурой 7°С, Работа АБХМ имеет свои сезонные особенности. По литературным данным, в режиме выработки холода АБХМ рекомендуется использовать в течение 6 «теплых» месяцев в году (с мая по октябрь). В остальные месяцы АБХМ может работать в режиме выработки теплоты. В рассматриваемой системе представляется целесообразным в зимнем режиме работы утилизационной системы использовать теплоту для подогрева воды на нужды отопления в теплообменнике 3б, а АБХМ законсервировать. После АБХМ циркуляционная вода температурой 80 °С поступает в теплообменники 18 и 19, в которых охлаждается до 40 °С за счет подогрева технологической воды от 30 до 70 °С. Часть технологической воды температурой 70 °С используется на станции испарения сырья для его предварительного подогрева от 20 до 60 °С в подогревателе 20. Оставшаяся часть воды может быть использована в технологии после дополнительного подогрева до 130 °С в транссониках, а также для покрытия нагрузок отопления и горячего водоснабжения. Доохлаждение воды до 30 °С обеспечивается либо оборотной водой в теплообменниках либо воздухом в аппаратах воздушного захолаживания. Дополнительная подпитка контуров осуществляется через подпиточную емкость 9 частью воды температурой 42 °С, поступающей с линии после теплообменников 15 и 16. Обводные линии обеспечивают циркуляцию воды при выходе из строя любого элемента, подключенного к контурам, а также регулирование тепловой нагрузки по холоду и горячей воде в зависимости от потребностей предприятия. В случае прекращения циркуляции воды в замкнутых утилизационных контурах для обеспечения нормального протекания технологических процессов предусматривается подвод оборотной воды от градирни. В качестве теплообменного оборудования циркуляционных контуров предлагается использовать модульные теплообменники на термосифонах и термосифонные котлы-утилизаторы. Представленная утилизационная система позволяет решить целый ряд задач, направленных на повышение эффективности энергопотребления производства, поэтому энергетический эффект от ее внедрения включает: экономию пара, поступающего от ТЭЦ, за счет замещения доли высококачественного теплоносителя паром вторичного вскипания; снижение потребления электроэнергии при замене парокомпрессионных холодильных машин на АБХМ; экономию тепловой энергии за счет снижения затрат на отопление, горячее водоснабжение и подогрев технологических потоков. Помимо вышеперечисленных факторов прогнозируется улучшение экологических показателей безопасности работы промышленного объекта, связанных с уменьшением тепловых выбросов в атмосферу и некоторым снижением объемов загрязненных промышленных стоков. 3.3. Оценка эффективности принимаемых решений Анализ эффективности использования тепловой энергии на стадии дегидрирования изоамиленов в изопрен позволил выявить значительные резервы экономии энергоресурсов, которые можно реализовать в рамках промышленного предприятия. Анализ стадии дегидрирования изоамиленов с учетом реальных потребностей промышленного объединения в энергоносителях позволил выявить основные источники ВЭР, утилизация которых возможна. К ним, в первую очередь, относятся: отходящие дымовые газы трубчатых печей; теплота парогазовой смеси после котлов-утилизаторов; теплота конденсата контактного газа, циркулирующего в системе скрубберов. В качестве основных потребителей теплоты ВЭР на производстве рассматриваются: паропотребляющие элементы стадии дегидрирования изоамиленов; элементы оборудования смежных стадий производства (выделения, разделения и очистки углеводородных продуктов) как потребители технологической и захоложенной воды; системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения предприятия. Проведенный анализ тепловой и термодинамической эффективности использования топливно-энергетических ресурсов на стадии дегидрирования изоамиленов в изопрен показал, что наименьшие значения показателей эффективности ηт и ηе соответствуют высокотемпературным установкам — трубчатым печам. Эти установки являются основными потребителями природного топлива технологической системы и одновременно источником вторичной энергии для производства качественного энергоресурса — водяного пара. Таким образом, важной задачей является повышение эффективности использования природного топлива за счет повышения теплового и термодинамического КПД трубчатых печей, связанных с ними в единую систему элементов оборудования, а также производства дополнительных видов или объемов энергоресурсов. На выходе из трубчатых печей систем дегидрирования изоамиленов в изопрен расчетная температура дымовых газов составляет tух = 376 °С. В реальных условиях эксплуатации высокотемпературного оборудования значение tух может возрастать до 450—500 °С. Экономия топлива за счет подогрева воздуха, направляемого к горелкам, по отношению к расходу топлива при работе печей без воздухоподогревателя определяется (3.3) где Qн — теплота сгорания используемого природного топлива, кДж/м3; hв — удельная энтальпия подогретого воздуха, кДж/м 3; hух — удельная энтальпия уходящих из печи дымовых газов, кДж/м3. Топливный эквивалент сэкономленной единицы тепловой энергии на подогрев воздуха р (3.4) Здесь qух — тепловые потери с физической и химической теплотой уходящих газов при использовании в качестве ВЭР технологических потоков, содержащих горючие компоненты, %; η — степень рекуперации тепловой энергии, представляющая собой отношение энтальпии нагретого воздуха к энтальпии уходящих дымовых газов: (3.5) где vв, /hв — удельные объем и энтальпия воздуха; vух /hух — удельные объем и энтальпия уходящих дымовых газов. Если принять, что теоретические объемы воздуха и дымовых газов при коэффициенте избытка воздуха а = 1 соответственно равны v°в и v°ух, то действительные значения удельных объемов теплоносителей определяются (3.6) На рис. 3.6 показаны графики экономии топлива в зависимости от температур нагретого воздуха и уходящих газов из высокотемпературных установок стадии дегидрирования изоамиленов. Как видно из рисунка, коэффициент использования топлива при установке воздухоподогревателя возрастает на 5—9 %. На практике действительная экономия топлива за счет организации подогрева воздуха значительно выше, так как этот процесс сопровождается улучшением условий сгорания топлива и повышением производительности печи. Для более точного определения экономии топлива можно использовать соотношение (3.7) где (1 - σ) — доля дымовых газов, проходящих через воздухоподогреватель; ᵩ — коэффициент тепловой эффективности воздухоподогревателя; z1, z2 — коэффициенты, учитывающие тепловые потери в окружающую среду в высокотемпературных процессах переработки углеводородного сырья. Здесь учитывается изменение условий теплопередачи за счет улучшения организации процесса горения в трубчатых печах. Рис. 3.6. Экономия топлива при подогреве воздуха в трубчатых печах, где в качестве топлива используется природный газ или мазут 1 — tух = 200 °С; 2 — tух = 300 °С; 3 — tух = 400 °С; 4 — tух = 500 °С; коэффициент избытка воздуха α = 1,15 В ряде случаев повышение тепловых потерь с уходящими дымовыми газами связано с увеличением коэффициента избытка воздуха, направляемого на процесс горения в целях снижения температуры в рабочей зоне. Дестабилизация режима работы в трубчатых печах в сторону повышения температуры при термообработке углеводородного сырья приводит к росту интенсивности коксообразования на поверхностях теплообмена, ухудшению качества продукции и условий ведения технологических процессов, поэтому эффективное регулирование температуры топочных процессов высокотемпературных установок представляется важной задачей при организации энерготехнологической системы. Организация рециркуляции дымовых газов позволяет поддерживать стабильную температуру в рабочей зоне, повысить температуру газовоздушной смеси, улучшить условия ведения топочных процессов, обеспечить снижение температуры топочных газов с наименьшими потерями тепловой энергии. В блоке, объединяющем трубчатую печь и котел-утилизатор, рециркуляция дымовых газов позволит более эффективно производить регулировку температуры пара при изменении тепловых нагрузок в широком диапазоне характеристик. Экономия топлива при организации обратной рециркуляции дымовых газов достигается за счет снижения коэффициента избытка параметров и соответствующего уменьшения тепловых потерь с дымовыми газами: (3.8) где В0 — расход топлива на технологические процессы в трубчатой печи без рециркуляции дымовых газов, м3; vв.р — расход холодного воздуха, направляемого на регулирование температуры топочных газов, м3/м3; с'в.р — теплоемкость воздуха, определенная при температуре уходящих газов. Теплоэнергетическая система обеспечивает потребителей паром от 0,4 до 1,3 МПа. Поэтому важной задачей производства и потребления энергоносителей за счет ВЭР теплотехнологии является выбор параметров пара, вырабатываемого котлами-утилизаторами. При фиксированном расходе дымовых газов Vд.г и температуре питательной воды на входе в котел (или зону испарения котла) выработка пара определяется (3.9) где hп — энтальпия пара, кДж/кг; hп.в — энтальпия питательной воды, кДж/кг; t’д.г — температура дымовых газов на входе в котел-утилизатор, °С. На рис. 3.7 изображена графическая зависимость парообразования в КУ от давления вырабатываемого пара в диапазоне 0,4— 1,3 МПа. Разброс значений Dп превышает 30 %. Изменения показателей теплового и термодинамического анализа блока за счет организации воздухоподогрева и рециркуляции дымовых газов в трубчатых печах стадии дегидрирования изоамиленов в изопрен при производстве изопрена приведены в табл. 3.1 и 3.2. Рис. 3.7. Зависимость паропроизводительности котла-утилизатора от давления вырабатываемого пара Результаты анализа термодинамической эффективности принимаемых решений представлены в табл. 3.3 и 3.4. Тепловая и эксергетическая диаграммы термодинамического анализа синтезируемой утилизационной системы показаны на рис. 3.8. Изменение показателей теплового баланса блока 2 с учетом организации воздухоподогрева и рециркуляции дымовых газов Таблица 3.1 Номер потока Теплота потока Теплота потока Изменение Потери на входе в на входе в на выходе из теплоты потока теплоты в элемент — элемент, элемента, в элементе, элементе, Тепловой номер потока кВт • ч/т кВт • ч/т кВт • ч/т кВт • ч/т КПД, % на выходе из изоамиленовой изоамиленовой изоамиленовой изоамиленовой элемента фракции фракции фракции фракции Перегрев изоамиленовой фракции и водяного пара в трубчатой печи 4 12, 15, Qнр – 16 13—18 11—19 14—17 3103,04 241,7 2861,34 132,71 205,68 4275,44 414,21 348,29 6602,17 281,5 142,61 2326,73 110,57 78,67 Изменение показателей эксергетического баланса блока с учетом организации воздухоподогрева и рециркуляции дымовых газов Таблица 3.2 Номер потока на входе в элемент — номер потока на выходе из элемента Эксергия Изменение Эксергия потока потока на эксергии Потери эксергии на входе в выходе из потока в в элементе, Эксергетиэлемент, элемента, элементе, кВт • ч/т ческий кВт • ч/т кВт • ч/т кВт • ч/т изоамиленовой КПД, % изоамиленовой изоамиленовой изоамиленовой фракции фракции фракции фракции Перегрев изоамиленовой фракции и водяного пара в трубчатой печи 4 12, 15, Qнр – 16 13—18 11—19 14—17 3188,19 22,08 22,92 1378,38 157,4 187,3 57,17 2501,8 3030,79 165,22 34,25 1123,42 1515,26 39,8 Потери эксергии в утилизационной системе составляют 12 595 кВт, потери теплоты — 6198 кВт, общий эксергетический КПД утилизационной системы — 78,45 %, общий тепловой КПД — 97,53 %. Для определения КПИ утилизационной системы используют следующие соотношения: тепловой КПИ (3.10) Элемент утилизаци онной системы Переданное количество теплоты, кВт Переданная эксергия, кВт Результаты балансового расчета по элементам утилизационной системы Таблица 3.3 Потери Эксергет Воспринятая Тепловой эксергии, ический эксергия, кВт КПД, % кВт КПД, % 12 44486 43596 890 9467 7471 1996 98 78,9 14 15719 15405 314 3957 3548 409 98 89,7 13 6203 6079 124 1626 1400 226 98 86,1 15 1905 1867 38 286 190 96 98 66,4 16 1593 1561 32 219 158 61 98 72,1 17 3675 3602 73 705 612 93 98 86,8 6 4191 3772 419 2418 1146 1272 90 47,4 7 13084 11 775 1309 7022 3579 3443 90 8 11215 10093 1122 4417 3068 1349 90 69,5 1 65374 65291 83 13272 12954 318 99,9 97,6 2 5546 5436 110 1592 1457 136 98 91,5 4 2774 2719 55 715 618 97 98 86,4 20 1341 1315 26 206 155 51 98,1 75,2 19 49886 48887 999 8939 7515 1424 98 84,1 18 1375 1348 27 246 207 39 98 84,1 3а 22045 21 468 577 3352 1766 1586 97,4 52,7 Итого 250412 244215 6198 58439 45844 12595 97,53 Воспринят Потери ая теплота, теплоты, кВт кВт 51 78,45 Баланс теплоты и эксергии в утилизационной системе по внешним потокам Таблица 3.4 Поток Подведенная Подведенная теплота, кВт эксергия, кВт Отведенная Отведенная теплота, кВт эксергия, кВт Поток Дымовые газы в элемент 6 12572 5144 Дымовые газы из элемента 6 8381 2726 Дымовые газы в элемент 7 23551 9636 Дымовые газы из элемента 7 10467 2614 Парогазовая смесь в элемент 8 142 073 37271 Парогазовая элемента 8 Конденсат контактного газа в 46082 элемент 13 7038 Конденсат контактного газа 39879 из элемента 13 5412 Конденсат контактного газа в 68 116 элемент 14 10402 Конденсат контактного газа 42596 из элемента 14 5239 Вода в элемент 2 24464 3320 191 Оборотная вода в элемент За 47709 1667 Конденсат контактного газа 3064 из элемента 15 Конденсат контактного газа 4533 из элемента 16 Вода из элемента 2 29900 Оборотная вода из элемента За Изоамиленовая фракция из элемента 20 Питательная вода для КУ 69 177 3433 1912 179 15800 2703 18623 Вторичный пар 16208 4555 473 Вода из элемента 19 85553 9393 — Конденсат контактного газа из элемента 12 Захоложенная вода из элемента За Подпиточная вода после элементов 16 и 75 Итого 90357 8679 12922 163 377 48 Изоамиленовая фракция в элемент 20 Вода в элемент 19 597 24 36666 1878 Питательная вода 3116 циркуляционной системы Паровой конденсат со 1273 станции испарения Конденсат контактного газа в 139812 элемент 12 Захоложенная вода в 22 152 элементе За — — 109 258 — — — — — — Итого 568 182 Тепловой КПД, % Эксергетический КПД, % 95843 9 9 смесь из 130858 561 984 32854 282 4776 83248 99 87 Эксергетический КПИ (3.11) Здесь ΔQ i пол и ΔЕ i пол — полезное, в соответствии с назначением системы, изменение теплоты и эксергии потока в i-м элементе схемы, кВт; ΔQ i под и ΔЕ i под — убыль теплоты и эксергии греющего потока в i-м элементе схемы; ΔQ s пол и ΔЕ s пол — теплота и эксергия потока 5, появившегося в результате реализации энергосберегающего мероприятия (например, теплота и эксергия потока пара вторичного вскипания). Рис. 3.8. диаграммы потоков теплоты (а) и эксергии (б) утилизационной системы Необходимо отметить, что изменения теплоты и эксергии потоков в элементах схемы не включаются как в полезный эффект, так и в затраты, если элементы, в которых происходит изменение, являются промежуточными звеньями между элементами—источниками ВЭР и элементами— потребителями. Промежуточные звенья в данном случае считаются дополнительными «сопротивлениями». Это не относится к элементам утилизационной системы, изменяющим значения количества теплоты и эксергии потоков, направляемых непосредственно на технологию или непосредственно в системы отопления и горячего водоснабжения. Например, на рис. 3.5 промежуточными являются все элементы, кроме 1, 2, За, 20. Коэффициент полезного использования эксергии (табл. 3.5) в утилизационной системе составляет 35%, коэффициент полезного использования эксергии — 59%. Это связано с тем, что не учитывалось полезное использование теплоты и эксергии потока воды температурой 70 °С после теплообменника 19. В действительности КПИ утилизационной системы будут значительно выше, так как на производстве всегда имеются нагрузки для предварительного подогрева технологических потоков, горячее водоснабжение и отопление. В результате проведения предлагаемых энергосберегающих мероприятий, главной целью которых было улучшить использование ВЭР, тепловой коэффициент полезного действия стадии дегидрирования изоамиленов увеличился на 1,19 % и составил 93,34 %. Эксергетический коэффициент полезного действия увеличился на 7,31 % и составил 56,17 %. Результаты расчета КПП утилизационной системы по ее назначению Таблица 3.5 Переданное количество теплоты, кВт Теплообменник 12 44486 Теплообменник 14 15719 Теплообменник 13 6203 Теплообменник 15 1905 Теплообменник 16 1593 Теплообменник 17 3675 КУТТ6 4191 КУТТ7 13084 Теплообменник 8 11215 Вторичный пар — Питательная вода для — КУ Теплообменник 2 — Теплообменник 4 — Теплообменник 20 — Элемент или поток Теплообменник 19 Теплообменник 18 АБХМ За Итого Тепловой КПИ, % Эксергетический КПИ, % __ __ — 102071 Полезно используемая теплота, кВт — _ — — — — — _ — 16208 15800 Переданная эксергия, кВт 9467 3957 1626 286 219 705 2418 7022 4417 __ __ 5436 — 1315 __ _ _ — — 21468 60228 _ — _ 30117 Полезно используемая эксергия, кВт _ __ — 4555 2703 1457 __ 155 — — 1766 10636 59 35 Результаты перерасчета теплового и эксергетического КПД балансовой теплотехнологической системы (БТТС) с учетом включения в нее утилизационной системы приведены в табл. 3.6. При оценке эффективности включения утилизационной системы в БТТС на стадии дегидрирования изоамиленов были получены следующие результаты. Коэффициент полезного использования теплоты увеличился на 14 % и составил 85,6 %. Эксергетический коэффициент полезного использования увеличился на 7,26 % и составил 49,22 %. Результаты перерасчета теплового и эксергетического КПИ БТТС приведены в табл. 3.7. Исходя из допущения о неизменности номенклатуры выпускаемой технологической продукции, состава и режимов работы основного технологического оборудования, сравнение вариантов организации утилизационных систем по (3.3)—(3.6) и (3.9) производят с учетом объемов выпускаемой энергетической продукции. Энергетической продукцией существующей в настоящее время теплотехнологии дегидрирования углеводородов являются: водяной перегретый пар давлением 0,6 МПа, температурой 170 °С, вырабатываемый в котлах-утилизаторах высокотемпературных установок; горячая вода температурой 95—100 °С, производимая в процессе охлаждения контактного газа реакции дегидрирования, выделения и очистки парового конденсата в скрубберах и емкостях; горючий абгаз, используемый на топливные нужды. Таким образом, в системе утилизации теплоты (см. рис. 3.5) предполагается выработка дополнительной энергетической продукции: водяного пара давлением 0,45 МПа, получаемого за счет расширения конденсата повышенного давления и последующей компрессии в струйных аппаратах; горячей воды температурой до 102 °С; охлажденной воды температурой 7 °С, производимой в холодильных установках абсорбционного типа. Реализация предлагаемых мероприятий КПД позволит достичь роста относительного КПД теплопотребления на рассматриваемой стадии (3.10) от η|0 = 74 % до ηк = 82 %. На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что в результате включения предлагаемой утилизационной системы в БТТС дегидрирования изоамиленов в изопрен достигается значительный эффект экономии энергоресурсов. Результаты перерасчета КПД БТТС Воспринята я теплота, кВт Потери теплоты, кВт Переданная эксергия, кВт Воспринята я эксергия, кВт Таблица 3.6 Потери эксергии, кВт 244215 6197 58439 45844 12595 4823 4730 93 1698 920 778 118921 111 688 7233 135821 58491 77330 9596 0 9596 11 188 — 11 188 Котлы-утилизаторы 71 562 69439 2122 44557 24790 19767 Скрубберы 132719 125558 7160 40007 30000 10007 Конденсаторы 50511 47986 2525 14431 11 910 2521 Итого 638 543 603617 34927 306 141 171 954 121 592 Элемент Переданное количество теплоты, кВт Утилизационная система 250412 При подготовке сырья и топлива Трубчатая печь Реакторы Тепловой КПД, % 94,53 Эксергетический 56,17 КПД, % Результаты перерасчета КПИ БТТС при включении утилизационной системы Таблица 3.7 Элемент Утилизационная система При подготовке сырья и топлива Трубчатая печь ВосприВосприПереданное Потери Переданна нятая нятая количество теплоты, я эксергия, теплота, эксергия, теплоты, кВт кВт кВт кВт кВт 102071 60228 41 843 30 117 10636 Потери эксергии, кВт 19481 4823 4730 93 1698 920 778 118921 111 688 7233 135 821 58491 77330 9596 — 9596 11 188 — 11 188 Котлы-утилизаторы 71 562 69439 2122 44557 24790 19767 Скрубберы 132719 125558 7160 40007 30000 10007 Конденсаторы 50511 47986 2525 14431 11 910 2521 490 202 419630 70573 277819 136746 141 073 Реакторы Итого Тепловой КПИ, % Эксергетический КПИ, % 85,6 49,22 Контрольные вопросы и задания к теме 3. 1. Перечислите достоинства и недостатки гравитационных теплообменников с термосифонными тепловыми элементами. 2. По каким критериям подбирается теплоноситель для заполнения термосифонов? 3. От чего зависит эффективность работы гравитационного теплообменника? 4. Поясните принцип работы утилизационной системы тепло- и хладоснабжения, представленной на рис. 3.5. 5. Какие условия влияют на выбор режимов работы и конфигураций централизованных утилизационных систем тепло- и хладоснабжения промышленных предприятий? 6. Как определяется экономия топлива при организации подогрева воздуха, направляемого к горелкам технологической высокотемпературной установки? Каким образом на достигаемую экономию может повлиять рециркуляция продуктов сгорания? 7. Проведите сравнительный анализ показателей тепловой и термодинамической эффективности теплотехнологии дегидрирования изоамиленов в изопрен с учетом организации централизованной утилизационной системы и без нее. Сформулируйте выводы. 8. Какие дополнительные виды энергетической продукции позволяет вырабатывать утилизационная система тепло- и хладоснабжения, представленная на рис. 3.5?