Дахин С.В. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях

Подождите немного. Документ загружается.

160

6.6. Энергосбережение в ректификационных установках

Ректификационные установки широко применяются

при получении продуктов переработки нефти, в химической

промышленности и в пищевых производствах (производство

спирта). Разделение жидких смесей является очень энергоем-

ким процессом. По опытным данным нефтеперерабатывающие

заводы на переработку нефти и производство нефтепродуктов

потребляют в виде топлива, теплоты и электроэнергии 8 – 12

% объема перерабатываемой нефти.

В технологических схемах с ректификационными ко-

лоннами (рис.50) [25] вторичными энергетическими ресурсами

являются теплота паров низкокипящих компонентов, уходя-

щих из верхней части колонны, а также теплота кубового ос-

татка.

1 – ректификационная колонна; 2 – куб; 3 – конденсатор флег-

мы; 4 – дефлегматор; 5 – конденсатор готового продукта; 6 –

сборник готового продукта (дистиллята); 7 - водоподогрева-

тель; 8 – циркуляционный насос

Рис. 50. Схема ректификационной установки для регенерации

органических растворителей

161

Расход теплоты на предварительный подогрев исходной

смеси, поступающей на ректификацию, мал по сравнению с

тем количеством теплоты, которое отводится с охлаждающей

водой из конденсатора флегмы и конденсатора готового про-

дукта. Более того, для предварительного подогрева смеси

вполне достаточно теплоты конденсата греющего пара. В этих

условиях важным способом экономии топлива является внеш-

нее энергоиспользование. Например, на ликероводочных заво-

дах встречаются схемы, в которых охлаждающая вода нагрева-

ется в конденсаторах флегмы и готового продукта до 65 °С и

используется затем в моечных машинах, в системах горячего

водоснабжения санитарно-технического назначения и др.

Отработанный раствор в количестве G

при температу-

ре t

поступает на разделение в колонну, куб которой обогре-

вается паром. Расход пара D

, энтальпия h

. Пары летучих

компонентов из колонны охлаждаются последовательно в кон-

денсаторе флегмы 3 и конденсаторе готового продукта 5, меж-

ду которыми установлен дефлегматор 4 для отделения жидкой

фазы - флегмы в количестве G

, возвращаемой на орошение

колонны. Дистиллят в количестве D при температуре t

на-

правляется в сборный бак 6 и возвращается в технологический

цикл.

Нагретая в конденсаторах флегмы и готового продукта

вода направляется в систему горячего водоснабжения и обес-

печивает работу моечных машин. Часть горячей воды, после

дополнительного подогрева паром ТЭЦ или котельной в водо-

подогревателе 7 направляется в систему отопления.

Для утилизации теплоты продукта возможно примене-

ние тепловых насосов.

6.7. Автономные теплоэнергетические комплексы

Теплоснабжение многих фермерских хозяйств, произ-

водственных и сельскохозяйственных объектов, туристиче-

162

ских и санаторно-курортных комплексов, объектов нефтегазо-

вых и рыбных промыслов и др., требует создания автономных

теплоэнергетических комплексов (АТК) [54]. Автономное теп-

лоснабжение актуально и как разумное дополнение к центра-

лизованным системам.

В качестве основных источников теплоты в АТК могут

быть различного рода теплогенераторы, котлы и водонагрева-

тели, использующие ТЭР, а также установки, использующие

возобновляемые источники энергии (ВИЭ – гелиоустановки,

ветроэнергоустановки, биоэнергетические установки и др.). В

ряде случаев могут дополнительно применяться установки ис-

пользующие ВЭР. Большое количество вариантов АТК с раз-

личными источниками энергии позволяет найти оптимальный

для данного конкретного объекта автономный теплоэнергети-

ческий комплекс.

Для комплексного энергоснабжения автономных объек-

тов применяются мини-ТЭС - электростанции с комбиниро-

ванным производством электричества и тепловой энергии.

Главная особенность и преимущество мини-ТЭС в том, что

они размещаются в непосредственной близости от потребите-

лей энергии. При таком расположении экономятся значитель-

ные средства из-за отсутствия транспортировки энергии. Бли-

зость мини-ТЭС к тепловым сетям также является немаловаж-

ным финансовым фактором. Диапазон электрической мощно-

сти мини-ТЭС достаточно широк и не имеет определенных

значений - от 100 кВт до 50 МВт.

В качестве электросиловых на мини-ТЭС используются

газопоршневые, газотурбинные или микротурбинные агрега-

ты.

На мини-ТЭС электроэнергия вырабатывается генера-

торами электрического тока которые используют механиче-

скую работу двигателей. Выхлопные газы и системы охлажде-

ния двигателей мини-ТЭС отдают тепловую энергию в виде

горячей воды или технического пара.

163

Мини-ТЭС, как правило, работает в режиме когенера-

ции (выработка электроэнергии и теплоты) или в режиме три-

генерации (выработка электроэнергии, теплоты и холода).

Мини-ТЭЦ состоит из следующих основных компонен-

тов:

- двигатели внутреннего сгорания – поршневые или га-

зотурбинные;

- генераторы постоянного или переменного тока;

- котлы-утилизаторы отработавших газов;

- катализаторы;

- системы управления.

Средства автоматики мини-ТЭС обеспечивают функ-

ционирование установок в рекомендованном диапазоне рабо-

чих режимов и достижение эффективных характеристик.

Управление мини-ТЭС осуществляются дистанционно.

В качестве основных преимуществ мини-ТЭС по срав-

нению с централизованным энергоснабжением можно выде-

лить:

- низкая стоимость вырабатываемой электроэнергии,

теплоты и холода;

- возможность быстрого строительства;

- быстрая окупаемость мини-ТЭС;

- низкий расход топлива;

- длительный ресурс эксплуатации оборудования;

- минимум топливных потерь на локальной электро-

станции;

- возможность установки мини-ТЭС в старых котель-

ных и на ЦТП;

- отсутствие необходимости строительства дорогостоя-

щей линии электропередач, трансформаторной подстанции,

протяженной электросети;

- возможность быстрого увеличения электрической

мощности, путем дополнительной установки энергетических

модулей;

- экологическая безопасность.

164

Для автономного электроснабжения небольших объек-

тов, в том числе индивидуального жилья, могут использовать-

ся газовые микротурбинные установки. Положительным мо-

ментом является возможность микротурбинных установок

стабильно работать с минимальными электрическими нагруз-

ками: 3 – 5 % от максимальной мощности. На практике это

приносит ощутимую экономию природного газа в ночное вре-

мя, днем, и в любые другие периоды малых нагрузок [55].

При наличии газовых магистралей низкого давления

для отопления и горячего водоснабжения существенную эко-

номию (по сравнению с традиционными газовыми нагревате-

лями) может дать применение газовых котлов пульсирующего

горения (например, ПВ-100 и ПВ-400 тепловой мощностью

100 и 400 кВт соответственно). Они характеризуются высокой

интенсивностью в камере сгорания, высоким КПД (93 – 95 %),

который не зависит от производительности, простотой конст-

рукции, низким уровнем выбросов вредных веществ, высоким

уровнем пассивной безопасности из-за малого объѐма газовоз-

душной смеси в камере сгорания, малым электропотреблением

из-за отсутствия дымососов и вентиляторов.

Упрощенно принцип действия и конструкцию котла

можно представить следующим образом [56]. В камеру сгора-

ния через воздушнопульсирующий и газопульсирующий мем-

бранные клапаны, расположенные в ресиверных камерах, по-

ступают воздух и топливный газ. С помощью электрозапаль-

ной свечи осуществляется первичное воспламенение газовоз-

душной смеси в камере сгорания и кратковременное повыше-

ние давления, приводящие к возникновению акустических

волн в резонаторе. Камера сгорания совместно с резонаторны-

ми трубами образуют объемный акустический резонатор типа

резонатора Гельмгольца.

Когда давление в камере превышает давление в ресиве-

рах, пульсирующие мембранные клапаны приходят в закрытое

состояние. При этом дальнейшее поступление газа и воздуха в

камеру сгорания приостанавливается. Под избыточным давле-

165

нием дымовые газы выходят из камеры сгорания и, через резо-

наторные трубы и выхлопной коллектор, поступают в окру-

жающую среду. Через определенное время (20 мсек) давление

в камере снижается, и пульсирующие клапаны открываются,

впуская очередную порцию газа и воздуха. Приведенный цикл

повторяется с частотой 35 - 50 раз в секунду. Устанавливается

периодический (автоколебательный) процесс, именуемый

пульсирующим горением.

После установления процесса пульсирующего горения

всасывание воздуха происходит благодаря периодическим по-

луволнам разрежения, а повторное воспламенение свежих

порций газовоздушной смеси осуществляется не от свечи, а

остаточным пламенем, которое постоянно присутствует в зоне

завихрения на свечном конце камеры сгорания. Процесс пуль-

сирующего горения может продолжаться неограниченное вре-

мя, пока не будет отключена подача топливного газа. Для

включения и отключения подачи топливного газа служит от-

сечной клапан.

Камера сгорания и резонансные трубы окружены водя-

ной рубашкой, по которой противотоком к дымовым газам

движется нагреваемая вода. С помощью вентилятора осущест-

вляется продувка камеры сгорания и резонансных труб перед

розжигом.

При достижении нагреваемой водой заданной, макси-

мальной температуры подача топливного газа прекращается.

При остывании воды до заданной, минимальной температуры

цикл розжига котла и горение снова повторяются. Таким обра-

зом, в старт-стопном режиме поддерживается необходимая

температура воды и обеспечивается необходимая среднечасо-

вая теплопроизводительность котла.

Для отопления и горячего водоснабжения удалѐнных,

отдельно стоящих обособленных объектов при отсутствии га-

зовой инфраструктуры или горячего водоснабжения производ-

ственных объектов в летнее время, применение индукционных

166

электронагревателей позволяет экономить значительные сред-

ства.

Устройство индукционного нагрева (рис. 51) – это элек-

тромагнитное устройство для нагрева индукционными токами,

которые возбуждаются в металле теплообменника перемен-

ным магнитным полем. Иными словами, индукционный элек-

тронагреватель это трасформатор, состоящий из двух конту-

ров. Первичный контур – катушки обмотки; вторичный контур

– теплообменное устройство. Вторичный контур, под воздей-

ствием магнитного поля, создаваемого катушками, нагревается

и передает теплоту теплоносителю (вода, масло, антифриз, га-

зы) [57, 58].

1 – магнитопровод; 2 – катушка; 3 – коллектор теплообменни-

ка; 4 – трубки теплообменника; 5 – присоединительные пат-

рубки; 6 – каркас; 7 – вводное устройство

Рис. 51. Индукционный нагреватель

167

Главное отличие индукционных от других электрона-

гревательных устройств (ТЭНовых или электродных) заклю-

чается в том, что у них нет непосредственного контакта тепло-

носителя с токопроводящими элементами, и это обеспечивает

2-й класс электробезопасности. Устройства такого класса не

заземляются и допускаются к эксплуатации в быту.

7. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ

Электросбережение и снижение издержек на электро-

снабжение предприятия достигается применением следующих

основных технических и организационных мероприятий [1]:

- отключением электропотребляющего не используе-

мого оборудования (при работе в режиме холостого хода и ос-

вещения, сварочных трансформаторов и т.п.);

- оптимизацией режимов работы электропотребляюще-

го оборудования (насосов, вентиляторов, компрессоров и т.п.);

- правильным подбором мощностей электроприводов

для увеличения cosφ, применением устройства компенсации

реактивной мощности;

- оптимизацией графиков электропотребления, умень-

шением мощности электропотребления в часы пик, правиль-

ным составлением договоров на электроснабжение;

- вовлечением субъективных факторов в процессе энер-

госбережения (материальной заинтересованностью потребите-

ля и поставщика в экономии электроэнергии).

Реализации последних двух мероприятий способствует

применение автоматизированной системы коммерческого учѐ-

та электроэнергии (АСКУЭ) и технологического учѐта

(АСУТП), позволяющих в режиме реального времени контро-

лировать режимы потребления электроэнергии и работу опе-

ративного персонала, ведущего технологические процессы с

потреблением энергоресурсов.

При эксплуатации систем электроснабжения и электро-

оборудования не в номинальных режимах они могут оказаться

168

в неэкономичных диапазонах работы – перегруженными или

недогруженными. Это приводит к увеличению доли потерь

электроэнергии, снижению cosφ.

Экономия потребляемой электроэнергии достигается

непосредственно через снижение потерь электроэнергии в сис-

темах передачи и распределения, в трансформаторах и элек-

тродвигателях, системах уличного и местного электроосвеще-

ния, а также через оптимизацию режимов эксплуатации обо-

рудования, потребляющего эту энергию. Причѐм последнее

даѐт наибольший экономический эффект (до 70 – 80 % от об-

щей экономии).

Вопросы экономии электрической энергии необходимо

анализировать во всех элементах распределения и потребле-

ния.

7.1. Устройства компенсации реактивной мощности

Основными источниками реактивной мощности на

промышленных и коммунальных предприятиях являются:

асинхронные двигатели (45 – 65 %) и трансформаторы всех

ступеней трансформации (20 – 25 %), при работе котрых воз-

никают дополнительные нагрузочные потери.

Для компенсации реактивной мощности применяют ба-

тарее косинусных конденсаторов, статические компенсаторы,

реакторы, синхронные электродвигатели, работающие в режи-

ме перевозбуждения. Уменьшение потерь в сетях от реактив-

ных токов, компенсирующие устройства располагают как

можно ближе к источникам генерации. На рис. 52 показан

пример компенсации реактивной мощности.

В примере без использования конденсатора (рис. 52, а)

нагрузка на трансформатор и электрическую сеть увеличива-

ется из-за реактивной мощности (пунктирная стрелка). Этого

можно избежать, как в примере на рис. 52, б, когда только од-

на активная мощность (жирная стрелка) влияет на нагрузку.

169

а)

б)

а – без компенсации; б – с компенсацией; 1 – трансформатор;

2 – электродвигатель; 3 – конденсатор

Рис. 52. Компенсация реактивной мощности

Повысить cosφ можно при проведении следующих ме-

роприятий:

- увеличение нагрузки синхронных двигателей;

- при снижении до 40 % мощности, потребляемой асин-

хронными двигателем, снизить напряжение питания обмоток,

переключая обмотки электродвигателя с треугольника на звез-

ду (мощность двигателя при этом снижается в три раза);

- применение теристорных регуляторов напряжения пи-

тания электродвигателя, управляемых сигналом от датчика

cosφ.

Применение ограничений времени работы асинхронных

двигателей и сварочных трансформаторов в режиме холостого

хода с помощью автоматических выключателей;