Теоретические основы рационального потребления топливно-энергетических ресурсов

Анализ структуры  потребления подведенных и вырабатываемых на предприятии энергоносителей, а также их стоимости позволяет оценить удельный вес каждого из них на стадии конечного использования и сделать вывод о необходимости акцентировать внимание на анализе использования того или иного энергоносителя.

Анализ структуры  энергопотребления по производственно-территориальному признаку позволяет оценить удельный вес каждого объекта на предприятии, как по суммарному энергопотреблению, так и по потреблению отдельных видов энергоносителей.

Анализ структуры  энергопотребления по целевому назначению дает возможность определить удельный вес различных направлений энергопотребления, как в цехах, так и по предприятию в целом, удельный вес различных потребителей в каждом направлении энергопотребления, а также распределение отдельных видов энергоносителей по направлениям потребления и потребителям.

Исследование  аналитических энергетических балансов дает возможность установить фактическое состояние энергоиспользования в отдельных элементах предприятия и на предприятии в целом. При проведении анализа исследуемые элементы классифицируются на группы процессов и установок, однородных по виду используемых энергоносителей и сходных по методике анализа энергоиспользования.

Анализ использования  энергоносителей проводится путем  сравнения фактических показателей с нормативными, фактическими за прошлый год, перспективными, аналогичными на других предприятиях. При этом сравнение показателей должно проводиться с учетом выполнения условий сопоставимости.

Основные  направления топлива в печах  и сушильных установках.

Нагревательные  термические и другие печи, а также  сушильные установки в промышленности являются одними из основных потребителей топлива, причем в них, как правило, расходуется мазут и газ. В подавляющем большинстве случаев промышленные печи работают с весьма низким КПД, который в производственных условиях чаще всего не превышает 15 - 25%, т.е. в 4 - 5 раз ниже, чем, например, КПД современных парокотельных установок. Низкий КПД обусловливается в основном очень большими тепловыми потерями с уходящими дымовыми газами. Лучшим методов повышения КПД печей, а, следовательно, и экономии топлива является возврат в печь части тепловой энергии, содержащей в уходящих дымовых газах, путем подогрева в рекуператорах или регенераторах воздуха, используемого для горения топлива, а также горячего газа. Подогрев воздуха обеспечивает не только экономию топлива, но и повышает температуру продуктов сгорания топлива, что способствует ускорению нагрева металла или других материалов и делает возможным применение новых способов нагрева.

Тепловые потери с уходящими  газами

qₓₐ=VₓₐCₓₐ Cₓₐtₓₐ

где Vₓₐ  ̶  объем дымовых газов, уходящих из печи или сушила, м³;

Cₓₐ  ̶  объемная теплоемкость газов, кДж/(м³·К);

tₓₐ  ̶  температура уходящих газов, ºС.

 

 Тепловые  потери с уходящими газами  составляют 60-75%. Средняя температура уходящих дымовых газов в печах 500-1350 ºС; в сушильных установках  ̶ 150-450 ºС. Экономию топлива в зависимости от его теплоты сгорания и различных температурных условий работы печи (сушила) и охладителя уходящих газов можно определить по следующей формуле ( в процентах по отношению к расходу топлива при работе без подогрева воздуха):

Где   ̶ удельная энтальпия дымовых газов в топке, кДж/м³;

 ̶   удельная энтальпия дымовых газов по выходе из печи, кДж/м³;

Ŋ  ̶  отношение энтальпии  подогретого воздуха к энтальпии  уходящих из печи дымовых газов.

Здесь L и V  ̶ соответственно объем воздуха и дымовых газов, приходящихся на 1 кг жидкого или на 1 м³ газообразного топлива;

и ̶ энтальпия нагретого воздуха, поступающего в печь, и дымовых газов, покидающих ее;

и ( и ̶ теоретические объемы воздуха и дымовых газов при ), м³.

Экономия  топлива за счет уменьшения тепловых потерь.

Приход и  расход тепловой энергии в печи

Qприх = Qхим + Qф.т + Qф.в + Qо.ж

Qрасх = Qм + Qок + Qпер + Qохл + Qизл + Qкл + Qвыб + Qух + Qх.н + Qм.н + Qн.п

Где Qхим  ̶  химическая теплота сгорания топлива; Qф.т  ̶  физическая теплота подогретого топлива; Qо.ж.  ̶  химическая теплота, выделения при окислении железа; Qм  ̶  теплота, затраченная на нагрев металла; Qок  ̶  тепловые потери с окалиной; Qпер  ̶  потери на нагрев перемещающихся частей печи и тары; Qохл  ̶  потери с водой, охлаждающей детали печи; Qизл  ̶  потери излучением через открытые окна и щели; Qкл  ̶  потери теплопроводностью через кладку; Qвыб  ̶  потери с продуктами сгорания, выбивающимися через окна и щели в кладке; Qух  ̶  потери с продуктами сгорания, уходящими из рабочей камеры в дымоход; Qх.н.  ̶  потери от химической неполноты сгорания топлива; Qм.н.  ̶  потери от механического недожога топлива; Qн.п.  ̶  прочие неучтенные потери.

Экономия топлива  может быть достигнута при уменьшении всех перечисленных тепловых потерь, для чего необходимо разработать и внедрить целый ряд мероприятий.

Потери Qок могут быть уменьшены за счет применения в печах рециркуляции и подогрева воздуха, что, в свою очередь, позволяет увеличить перепад температур между продуктами сгорания и нагреваемым материалом и снизить угар в результате окисления. Окисление металла может быть снижено на 1,3% от расчетного. Угар в камерных кузнечных печах достигает 3%, что влечет за собой значительный перерасход топлива и снижение качества нагреваемых деталей.

Снижение потерь Qпер достигается своевременным повторным возвратом транспортных средств в печь, что в дальнейшем требует значительно меньших затрат тепловой энергии на их повторный нагрев. Футеровка поверхностей вагонеток, тележек позволяет аккумулировать затраченную тепловую энергию и уменьшить тепловые потери в окружающую среду при повторном возврате транспортных средств в печь. При больших промежутках между загрузкой и выгрузкой желательно транспортные средства, выходящие из печи, размещать под специальным навесом, оборудованным вентиляционными системами с рекуперацией избыточной теплоты. Избыточная теплота в этом случае может использоваться для подогрева приточного воздуха и для других целей. Подогрев осуществляется в рекуперативных или регенеративных теплообменниках.

Уменьшение потерь Qохл обеспечивается путем установки в схеме циркуляции горячей воды рекуперативных воздухоподогревателей (калориферов) или водо-водяных теплообменников. Горячая вода также может использоваться в моечных и других устройствах без установки теплообменников. Калориферы устанавливаются как первая ступень подогрева воздуха, поступающего для подогрева в основной воздухоподогреватель, установленный в тракте уходящих газов. При наличии испарительного охлаждения в калориферы и другие теплообменники подается насыщенный пар. Переохлажденный конденсат подается обратно, в испаритель.

Уменьшение потерь Qизл достигается за счет рационального открывания устройств загрузки и выгрузки печи, а также путем установки экранов виде пленки стекающей воды. Водяные экраны также служат защитными устройствами от теплового облучения обслуживающего персонала. Открывание загрузочных окон  ̶  таким образом, чтобы обеспечить выход только транспортных средств. Экраны могут быть также металлические в виде раздвижных ширм и крышек. Выбор экранов в каждом случае сугубо индивидуальный.

Потери Qкл уменьшаются за счет следующих мероприятий: применения для наружного слоя теплоизоляционных материалов с низкой теплопроводностью; экранирования наружной футеровки гофрированным алюминиевым листом; увеличения толщины теплоизоляции; использования тепловыделения от футеровки путем забора теплого воздуха в печь.

Потери Qвыб снижают путем обеспечения разрежения в печи 10-20 Па; ликвидации всех неплотностей; своевременного закрывания смотровых окон; герметизации гарнитуры.

Потери Qух являются основными, и их снижают путем установки воздухоподогревателей в тракте дымовых газов.

Снижение тепловых потерь Qх.н. осуществляется путем обеспечения полноты сгорания топлива высокоэффективным его распылением ( мазут) и смешиванием с воздухом ( газ, мазут); автоматизации процесса горения; контроля полноты сгорания с помощью газоанализаторов; применения высокоэффективных горелочных устройств.

Прочие потери Qн.п. уменьшают путем проведения расчета составных статей теплового баланса с высокой точностью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

III. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ НА ПРИМЕРЕ ДАНИИ.    

Прошло более 10 лет  с момента перехода России от плановой экономики к рыночной. Можно было бы надеяться, что в теплоэнергетике будут активно внедряться высокоэффективные энергосберегающие технологии, такие как регуляторы температуры в помещениях, тепловые насосы, высокоэффективная изоляция тепловых сетей, трехтрубные системы теплоснабжения, тепловые аккумуляторы и т. д. Однако до настоящего момента в рыночной энергетике России не получили осмысления и широкого развития схемы организации последовательной и параллельной работы ТЭЦ и коммунальных котельных, обеспечивающих передачу базовой части суммарной нагрузки на отборы турбин ТЭЦ, а пиковой части нагрузок - на пиковые котельные, находящиеся в центре тепловых нагрузок. 
    Ожидаемого значимого изменения технологии производства тепла и электрической энергии также не произошло. Напротив, наблюдаются обратные процессы, отбрасывающие энергосберегающую экономику регионов на многие десятилетия назад. Так, например, из-за незнания экономической выгоды для конечных потребителей комбинированного производства тепловой и электрической энергии, в центре Омска, в зоне действия тепловых сетей от ТЭЦ, стали возникать котельные, стоимость капитальных вложений и эксплуатационных текущих затрат которых в полтора и более раз выше, чем при теплоснабжении от тепловых сетей АК <Омскэнерго>.  
    За рубежом такие технологии, как тепловые аккумуляторы на ТЭЦ, локальные тепловые аккумуляторы, установленные в квартирах, абсорбционные насосы и т. д., работают более 10-20 лет, а в отечественной теплоэнергетике даже не ставятся задачи по внедрению этих высокоэффективных энергосберегающих технологий.    

Аккумуляторы тепловой энергии в схемах теплофикации Дании 
    Рассмотрим конкретный пример. ТЭЦ, расположенная в Дании, оснащена двумя огромными баками горячей воды единичной емкостью до 22 тыс. куб. м, высотой до 65 м.  
    В российской энергетике таких больших инженерных сооружений, предназначенных для хранения именно тепловой энергии, а не горячей воды, нет. Главное назначение существующих российских аккумуляторных баков в тепловых схемах ТЭЦ России - обеспечить надежность работы схемы теплоснабжения в целом при открытой схеме горячего водоснабжения потребителя. Усредненная среднесуточная нагрузка горячего водоснабжения составляет до 15% от суммарной тепловой нагрузки ТЭЦ. При отсутствии запаса воды в аккумуляторных баках и несвоевременном устранении причин повышенной подпитки тепловых сетей в схемах централизованного теплоснабжения возникает неуправляемая ситуация, ведущая к аварии с полной остановкой всей системы теплоснабжения города (100% тепловой нагрузки) и значительным (50-70%) снижением электрической нагрузки, а не только нагрузки горячего водоснабжения (15%). В Дании таких проблем, видимо, нет. 
    В России пока не применяются аккумуляторы тепловой энергии для повышения эффективности комбинированного производства электроэнергии и тепла.  
    Несмотря на сложность, высокую потенциальную опасность использования аккумуляторов тепловой энергии в Дании, в течение последних двух десятилетий практически все ТЭЦ, производящие тепло и электроэнергию, оснащаются аккумуляторами тепловой энергии1. До 1992 г. только немногие ТЭЦ с теплофикационными турбинами оснащались аккумуляторами тепловой энергии. Это делается несмотря на то, что 100% нагрузки горячего водоснабжения в Дании обеспечивается только по закрытой схеме, т. е. потребитель никогда не берет сетевую воду ТЭЦ, а использует промежуточный теплообменник, установленный непосредственно у него.  
    Либерализация рынка электричества привела к необходимости более гибкого функционирования ТЭЦ для того, чтобы работать по наиболее экономически выгодной схеме, удовлетворяя как потребителей тепла, так и потребителей электричества. Поэтому в Дании в первые годы открытия рынка электричества наблюдался рост крупных систем накопления тепла, и сегодня практически все системы централизованного теплоснабжения ТЭЦ с теплофикационными турбинами оснащены одним и более аккумуляторами тепла. 
    Аккумулятор тепловой энергии используется для краткосрочного хранения энергии. При этом запас воды в баке по весу является постоянным, не зависящим от запаса тепловой энергии. При загрузке аккумулятора горячая вода подается в верхнюю часть резервуара одновременно с отбором такого же количества холодной воды с нижней. Из-за разницы плотности горячая и холодная вода разделяются неиспользуемым слоем воды высотой примерно в 1 м.  
    При разгрузке происходит отбор горячей воды из верхней части с одновременной подачей холодной сетевой воды в нижнюю. Аккумулятор тепловой энергии подключается между ТЭЦ и тепловой сетью централизованного теплоснабжения. Он заряжается, когда производство тепла выше, чем потребление, и разряжается в противном случае. Это свойство позволяет ТЭЦ запасать тепловую энергию для централизованного теплоснабжения в ночное время, когда цена на вырабатываемую электроэнергию снижается втрое по отношению к дневной. 
    Выбор температуры зарядки и разрядки является важнейшим фактором, определяющим размер резервуара. Для резервуаров атмосферного давления перепад температур составляет 30-40 °С, а для сосудов высокого давления может увеличиться до 50-55 °С.    

Пример использования  аккумуляторов тепла в Дании 
    ТЭЦ в Аведоре имеет два турбогенератора. ТГ № 1 N = 250 МВт, Q = = 330 МДж/с (283 Гкал/ч). ТГ № 2 N = 560 МВт, Q = 520 МДж/с (447 Гкал/ч). Емкость каждого ба-ка - 22 тыс. куб. м. Суммарная тепловая емкость аккумуляторов тепла - 8000 ГДж (1915 Гкал), что составляет 28,6% от общей подключенной часовой нагрузки 28000 ГДж (6700 Гкал/ч). Мощность накопления тепловой энергии равна 330 МДж/с (284 Гкал/ч). Полное время зарядки или разрядки в зимний период двух баков составляет не менее 6,7 ч. Строительство обошлось в 5,5 млн евро (1992 г.).  
    Для российских систем централизованного теплоснабжения приведенная на рис. 1 схема включения аккумулятора тепловой энергии оказывается совершенно новой и трудной для восприятия. Назначение датских аккумуляторов тепла и российских аккумуляторных баков не совпадает. В России основная задача - обеспечение надежности работы теплоэнергетической системы с открытым горячим водоразбором, а в Дании от открытого водоразбора отказались, обеспечивая максимально экономичное производство тепловой и электрической энергии на базе их комбинированного производства. Тепловые аккумуляторы в системах теплофикации Дании предназначены для краткосрочного (до одних суток) накопления тепловой энергии. Они позволяют в часы пиковых нагрузок за счет разгрузки паровых турбин по тепловой мощности вырабатывать дополнительную электрическую мощность. При этом растет доля высокоэкономичной выработки электроэнергии на тепловом потреблении. 

    

Применение аккумуляторов  тепла позволяет повысить эффективность  существующего энергетического оборудования, снизить затраты на строительство пиковых энергетических мощностей ТЭЦ. С точки зрения рыночной экономики тепловой аккумулятор является субститутом - заменителем традиционной технологии по производству тепловой и электрической энергии. С применением этой новейшей технологии можно снизить затраты на приобретение и содержание основного энергетического оборудования (20-25% от мощности котлов и турбин) и направить средства на содержание аккумуляторов тепловой энергии. 
    В странах с рыночной энергетикой тепловое аккумулирование энергии используется с 1920-х гг.2, а после энергетического кризиса в 1970-х гг. этот принцип стал применяться еще чаще. Возникает вопрос: почему в России до настоящего времени не разрабатывались перспективные схемы теплоснабжения с применением энергосберегающих технологий, в частности систем теплофикации, тепловых аккумуляторов и насосов? В Дании именно использование раздельных видов тарифа на пиковую, полупиковую и базовую электрическую энергию обуславливает высокий экономический эффект от строительства аккумуляторов тепла, соотношение максимально высокой цены к минимально низкой составляет 3:1. Принципы датской ценовой системы были утверждены парламентом страны. Цена на энергию должна быть эквивалентна затратам на производство и транспортировку электричества. Производственные расходы определяются в качестве долгосрочных предельных издержек производства электричества на электростанции с комбинированным циклом.