Энергетическое обеспечение производства

· отставание в создании оргструктур в сфере энергопотребления, соответствующих рыночным отношениям;

· крайне низкую оснащённость энергопотребителей техническими средствами учёта и контроля за расходованием энергоресурсов;

· недостаточное количество энергосберегающих технологий и высокоэкономичного технологического оборудования;

· высокие Энергозатраты в производственных процессах из-за большой доли устаревших основных производственных фондов;

· недостаточную обеспеченность высококвалифицированным управленческим и инженерным персоналом в сфере энергосбережения;

· совершенно недостаточную энергосберегающую грамотность населения.

Важным сдерживающим фактором в повышении энергетической эффективности экономики в прошедший период явилась неподготовленность промышленности к выпуску энергосберегающего оборудования, контрольно-измерительных приборов и других технических средств, необходимых для обеспечения рационального использования и экономного расходования топлива и энергии.

В пользу экономии ресурсов свидетельствуют также высокая сравнительная эффективность энергосберегающих мероприятий и наличие значительных резервов экономии материальных и энергетических ресурсов. Кроме того, мероприятия по экономии топлива обычно в 2,5-3,0 раза дешевле, чем эквивалентный прирост его добычи и транспорта потребителям. Энергосберегающие проекты, в среднем, в 5-6 раз менее капиталоёмкие, чем проекты по производству энергии.

Повышение эффективности использования энергии и, как следствие, снижение себестоимости продукции является одним из важнейших путей возрождения различных отраслей промышленности в условиях рынка, основой конкурентоспособности выпускаемой продукции, обеспечения занятости населения и тем самым одним из факторов решения социальных проблем.

Реализация идей энергосбережения позволит экономить огромные средства за счёт снижения потребности в первичных энергоресурсах (расходы на их производство, транспортировку, переработку, хранение) и увеличение экспортного потенциала ТЭК для получения дополнительных доходов и решения социальных задач. При этом значительно снизятся затраты на охрану природы. Использование средств, полученных от 4-х кратной экономии в результате энергосбережения (по сравнению с наращиванием добычи топлива и энергии), позволит пополнить уже в ближайшее время доходную часть бюджетов регионов и страны в целом, увеличить чистую прибыль предприятий для решения социальных проблем.

Реализация программы энергосбережения благоприятно скажется на экономическом положении страны, поскольку каждый процент сбережённых энергоресурсов в среднем даст прирост национального дохода и чистой прибыли предприятий в размере до 0,35-0,40%.

Анализ отечественного и зарубежного опыта показывает, что резервы экономии топливно-энергетических ресурсов в настоящий момент имеются практически во всех звеньях энергетического цикла. Потенциал энергосбережения в нашей стране достигает 1/3 всего объёма потребляемых первичных энергоресурсов, а по некоторым данным - 40-45%.

2. ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА

Теплоэнергетика - отрасль, занимающаяся преобразованием теплоты в другие виды энергии, главным образом в механическую и электрическую. Для генерирования механической энергии за счет теплоты служат теплосиловые установки.

Преобразование теплоты в механическую энергию в тепловых установках основано на способности газа - газообразного тела совершать механическую работу при изменении его объема. При этом рабочее тело (пар или газ) должно совершить замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл). В результате такого цикла от одного или нескольких источников теплоты отбирается определенное количество теплоты Q1 и одному, или нескольким источникам теплоты отдается количество теплоты Q2, меньшее, чем Q1; при этом разность Q1- Q2 превращается в механическую работу Атеор. Отношение полученной работы к затраченной теплоте называется термическим КПД этого цикла.

В простейшем случае цикл может быть осуществлен при одном источнике теплоты с температурой Т1, отдающем теплоту рабочему телу, и одном источнике теплоты с температурой Т2, воспринимающем теплоту от рабочего тела. При этом в температурном интервале Т1-Т2 наивысший КПД R=1- Т2/Т1 среди всех возможных циклов имеет цикл Карно. КПД, равный 1, т.е. полное превращение теплоты Q1 в работу, возможен либо при Т1 равное , либо при Т2 равное 0. Разумеется, оба эти условия нереализуемы. Невозможность полного превращения теплоты в работу при условии, что все тела участвующие в этих превращениях, будут возвращены в исходные состояния, устанавливается вторым началом термодинамики.

Процессы, протекающие в реальных установках, преобразующих теплоту в другие виды энергии, сопровождаются различными потерями, поэтому получаемая действительная работа Адейств оказывается меньше теоретически возможной работы Атеор.

Теплосиловые установки включают: рабочее тело, осуществляющее замкнутую последовательность термодинамических процессов (цикл); системы подвода теплоты к рабочему телу; одну или несколько машин, воспринимающих работу рабочего тела; систему отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду. По способу передачи теплоты к рабочему телу различают установки с внешним подводом (теплота подводится к рабочему телу от внешнего источника в теплообменники) и установки с внутренним подводом (рабочее тело - продукты сгорания топлива).

2.1 Теплоснабжение

2.1.1 Основные виды энергии и источники тепла, используемые для теплоснабжения

Источником тепла называется комплекс оборудования и устройств, с помощью которых осуществляется преобразование природных и искусственных видов энергии в тепловую энергию с требуемыми для потребителей параметрами.

Потенциальные запасы основных природных видов энергии в миллиардах тонн условного топлива в мире составляют:

органическое (ископаемое) топливо - 24,7109;

ядерное топливо (уран и торий) - 231103;

термоядерное топливо (дейтерий) - 56,1103;

геотермальная энергия - 500;

лучистая энергия Солнца (в год) - 247103;

гидроэнергия рек (в год) - 3,35;

энергия приливов и отливов (в год) - 2,31;

энергия ветров (в год) - 7,92.

Для целей промышленного теплоснабжения практическое значение на ближайшую перспективу будут иметь органическое и ядерное топливо.

К искусственным видам энергии, которые используются для выработки тепла на теплоснабжение, относятся «вторичные энергоресурсы» промышленных предприятий и электрическая энергия.

Всё топливо, используемое для получения тепла можно разделить на два вида: искусственное и естественное, которое в свою очередь подразделяют на твёрдое, жидкое и газообразное.

К естественным видам топлива относятся:

твёрдое - каменные угли, антрацит, торф, горючие сланцы, дрова;

жидкое - нефть;

газообразное - природный газ.

К искусственным видам топлива относятся:

твёрдое - кокс, древесный уголь, брикеты, пылевидное топливо;

жидкое - мазут, керосин, дизельное топливо;

газообразное - смешанный (доменный + коксовый), доменный, коксовый, генераторный газы.

Особенно большую долю в топливном балансе промышленных предприятий занимает природный газ, в наибольшей мере отвечающий технологическим требованиям к топливу. Рациональное использование газообразного топлива с наибольшей реализацией его достоинств позволяет получить значительный экономический эффект, который связан с повышением КПД агрегатов и сокращением расхода топлива, более лёгким регулированием условий сжигания, температурных полей и состава газовой среды в рабочем пространстве печей, в результате чего удаётся значительно повысить интенсивность производства и качество получаемой продукции.

Теплофизические особенности того или иного топлива зависят в основном от его химического состава. Так как топливо почти всех видов органического происхождения, то основной горючей составляющей является углерод С, водород Н2, окись углерода СО, а также соединения этих элементов, так называемые углеводороды. Чем больше углеводородов содержится в топливе, тем оно качественнее.

2.1.2 Сжигание топлива

В основе горения топлива лежат реакции окисления горючих составляющих, в результате которых выделяется тепло. Количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы объёма или массы топлива, называется теплотой сгорания или калорийностью топлива [кДж/м3, кДж/кг].

Для удобства сравнения расходов тепла, получающегося от сгорания различных топлив, введено понятие условного топлива (у. т.), то есть топлива, теплота сгорания которого равна 7 000 ккал/кг (29 310кДж/кг).

Температурой горения называется температура, которую приобретают продукты сгорания в результате выделившегося при реакции тепла. Температура горения газообразного и жидкого топлива достигает 2 100С.

В основе процессов горения лежат окислительные реакции горючих составляющих топлива с кислородом. От того, насколько хорошо перемешано топливо с окислителем, зависят скорость и качество нагрева или расплавления металла. Физически процессы горения подразделяют на гомогенное и гетерогенное.

Гомогенное горение характерно в основном для газообразного топлива, предварительно смешанного с воздухом, оно происходит между реагентами, имеющими одинаковое агрегатное состояние.

Гетерогенное горение характерно для твёрдого топлива, оно наблюдается в основном на его поверхности; при этом реагенты имеют разное агрегатное состояние.

Горение жидкого топлива осуществляется по боле сложной схеме. В процессе горения происходит разложение топлива на газовую и жидкую составляющие. Газ горит гомогенно, а жидкость (капли) - гетерогенно.

Процесс горения любого топлива разделяют на две стадии: воспламенение и непосредственное горение. Воспламенение - начальный период горения, во время которого происходит медленное окисление. В результате этого в системе происходит накапливание тепла и медленное повышение температуры. При достижении некоторого температурного предела реакция окисления принимает лавинообразный характер и процесс переходит в непосредственное горение. Эта температура называется температурой воспламенения.

Гетерогенное горение может быть разделено на следующие стадии: 1) просушка и прогрев топлива; 2) термическое разложение топлива выделяется СО, с дальнейшим использованием его в качестве горючего газа.

Наиболее распространённым естественным твёрдым топливом являются каменный и бурый уголь, древесина, сланцы, торф. Твёрдое топливо характеризуется следующими показателями: зольностью, содержанием влаги, содержанием летучих веществ и углерода, содержанием серы, теплотой сгорания.

Зольность характеризует негорючие составляющие твёрдого топлива (балласт). Поэтому, чем меньше зольность топлива, тем оно качественнее, так как возрастает процент горючих составляющих.

Летучие вещества выделяются из топлива при нагревании без доступа воздуха. Состав и количество летучих зависит от состава и свойств топлива. Чем выше содержание летучих, тем лучше горит топливо, так как они воспламеняются и поддерживают горение.

Влага - нежелательный компонент, так как требует большого количества тепла для испарения и нагрева до температуры продуктов сгорания.

Содержание серы в топливе крайне нежелательно. При сжигании топлива, содержащего серу, образуется сернистый газ SO2, являющийся причиной «кислотных дождей». При выплавке чугуна, сера, содержащаяся в коксе, переходит в чугун, снижая его механические свойства. При переделе сернистого чугуна в сталь возникают дополнительные трудности по удалению серы. Примерный состав и теплота сгорания основных видов топлива приведены в таблице 2.1. Дрова в промышленности почти не применяют ввиду их низкой теплоты сгорания. В основном, из дров получали раньше древесный уголь, который применяли для производства высококачественного чугуна на уральских металлургических заводах. В настоящее время дрова используют как местное топливо.

Таблица 2.1 Состав и теплота сгорания твёрдых видов топлива

Топливо	Содержание, %	Теплота сгорания
	S	С	Н2	О2	ккал/кг	кДж/кг
Донецкий каменный уголь	2,7	62,4	3,8	4,3	5980	25000
Кузнецкий каменный уголь	0,4	67,2	4,7	10,7	6300	26400
Бурый уголь	2,0	51,7	2,7	11,6	4400	18500
Торф	0,2	30,9	3,2	17,8	2560	10700
Дрова	-	30,3	3,6	25,1	2440	10200

Торф, как и древесина, относятся к местным видам топлива. Низкая теплота сгорания и невысокая прочность ограничили применение торфа в промышленности. Значительным достоинством торфа является высокое содержание летучих, лёгкая воспламеняемость, низкое содержание серы, относительно низкая стоимость, большие запасы. Применяют торф, в основном, на местных тепловых электростанциях.

Бурый уголь занимает промежуточное положение между торфом и каменным углем. Как и торф, он относительно малокалориен, содержит много золы (35 - 40%) и влаги (до 40%); содержание серы колеблется от 1,5 до 3,0%. Недостатком бурых углей является их высокая склонность к самовоспламенению, требующая применения особых мер предосторожности. Как топливо бурые угли применяют на тепловых электростанциях.

2.1.3 Экологические проблемы использования теплоты

Продукты сгорания топлива оказывают определяющее влияние на энергетические и экологические показатели различных теплотехнических установок. Однако помимо этих продуктов при сгорании образуется и ряд других веществ, которые вследствие их малого количества не учитываются в энергетических расчетах, но определяют экологические показатели топок, печей, тепловых двигателей и других устройств современной теплотехники.

В первую очередь к числу экологически вредных продуктов сгорания следует отнести так называемые токсичные вещества, оказывающие негативные воздействия на организм человека и окружающую среду. Основными токсичными веществами являются оксиды азота (NОх), оксид углерода (СО), различные углеводороды (СН), сажа и соединения, содержащие свинец серу.

Оксиды азота образуются в результате химического взаимодействия азота и кислорода воздуха, если температура превышает 1500 К. При сгорании топлив образуется главным образом оксид азота NО, который затем в атмосфере окисляется до NО2. Образование NО увеличивается с ростом температуры газов и концентрации кислорода. Зависимость образования NО от температуры создает определенные трудности с точки зрения увеличения термического КПД теплового двигателя. Например, при увеличении максимальной температуры цикла с 2000 К до 3000 К термический КПД цикла Карно возрастает в 1,5 раза и достигает значения 0,66, но расчетная максимальная концентрация NО в продуктах сгорания возрастает в 10 раз и достигает по объему 1,1 %.

Находящийся в атмосфере NО2 представляет собой газ красновато-бурого цвета, обладающий в больших концентрациях удушливым запахом, вредно воздействующим на слизистые оболочки глаз.

Оксид углерода (СО) образуется во время сгорания при недостатке кислорода. Оксид углерода - бесцветный и не имеющий запаха газ. При вдыхании вместе с воздухом он интенсивно соединяется с гемоглобином крови, что уменьшает ее способность к снабжению организма кислородом. Симптомы отравления организма оксидом углерода: головная боль, сердцебиение, затруднение дыхания и тошнота.

Углеводороды (СН) состоят из исходных или распавшихся молекул топлива, которые не принимали участия в сгорании. Углеводороды появляются в отработавших газах (ОГ) двигателей внутреннего сгорания вследствие гашения пламени вблизи относительно холодных стенок пламени сгорания. В дизелях углеводороды образуются в переобогащенных зонах смеси, где происходит пиролиз молекул топлива. Если в процессе расширения в эти зоны не поступит достаточное количество кислорода, то СН окажется в составе ОГ. Углеводороды под действием солнечных лучей могут взаимодействовать с NОх, образуя биологически активные вещества, которые раздражающе действуют на органы дыхательных путей и вызывают появление так называемого смога.

Особое влияние оказывают выбросы бензола, толуола, полициклических автоматических углеводородов (ПАУ) и в первую очередь бензпирена. ПАУ относится к так называемым канцерогенным веществам, они не выводятся из организма человека, а со временем накапливаются в нем, способствуя образованию злокачественных опухолей.

Сажа представляет собой твердый продукт, состоящий в основном из углерода. Кроме углерода в саже содержится 1 - 3 % (по массе) водорода. Сажа образуется при температуре выше 1500 К в результате термического разложения (пиролиза) при сильном недостатке кислорода. Наличие сажи в отходящих газах обуславливает черный дым на выпуске.

Сажа представляет собой механический загрязнитель н6осоглотки и легких. Большая опасность связана со свойством сажи накапливать на поверхности своих частиц канцерогенные вещества и служить их переносчиком.

Содержание в отходящих газах продуктов неполного сгорания (СО, СН и сажи) нежелательно не только из-за их токсичности, но и потому, что при неполном сгорании топлива недовыделяется часть теплоты, а это обуславливает ухудшение экономических показателей тепловых установок.

Сера, содержащаяся в дизельном топливе, в мазуте и каменном угле выбрасывается в атмосферу после сгорания этого топлива в форме диоксида SО2, который очень вреден для растений и способствует возникновению «кислотных» дождей.

Некоторые токсичные вещества, после того как они попадают в атмосферу в составе продуктов сгорания, претерпевают дальнейшие преобразования. Например, при наличии в атмосфере углеводородов, оксидов азота и оксида углерода при интенсивном ультрафиолетовом излучении солнца образуется озон (О3), являющийся сильнейшим окислителем и вызывающий при соответствующей концентрации ухудшение самочувствия людей.

При высоком содержании в малоподвижной и влажной атмосфере NО2, Оз и СН возникает туман коричневого цвета, который получил название «смог» (от английского «smoke» - дым и «fog» - туман). Смог является смесью жидких и газообразных компонентов, он раздражает глаза и слизистые оболочки, ухудшает видимость на дорогах.

Основными источниками выброса токсичных продуктов сгорания являются автомобили, промышленность, тепловые и электрические станции. В некоторых городах содержание в атмосфере токсичных продуктов сгорания превышает предельно допустимую концентрацию в несколько десятков раз.

Для борьбы с этим злом в большинстве стран мира приняты соответствующие законы, ограничивающие содержание токсичных веществ в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу.

Выполнение предписываемых соответствующими законами норм разрешенного нормального выброса стало одной из центральных задач теплотехники. Во многих случаях управление работой объектов промышленной теплотехники осуществляется таким образом, чтобы обеспечить требуемый компромисс между их энергетическими, экономическими и экологическими показателями. Во многих случаях достигаемый таким путем уровень экономических показателей превышает разрешенный современными нормами. Поэтому большое значение приобрела нейтрализация и очистка продуктов сгорания перед их выходом в атмосферу. С этой целью используются различные нейтрализаторы и фильтры. Одновременно улучшается состав углеводородных топлив (уменьшение содержание сферы, свинца, ароматических углеводородов), расширяется использование газовых топлив. В перспективе применение в качестве топлива водорода полностью исключит содержание в продуктах сгорания СО, СН и других токсичных углеродосодержащих компонентов.

2.2 Тепловое потребление и системы теплоснабжения

Основными потребителями теплоты являются: устройства отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха; тепловые технологические аппараты и устройства, силовые технологические агрегаты.

Отопление - искусственный обогрев помещений с целью возмещения в них тепловых потерь и поддержания на заданном уровне температуры, отвечающей условиям теплового комфорта для людей или требованиям технологического процесса. Условия теплового комфорта (условия благоприятные для жизни и деятельности людей) определяются температурой, относительной влажностью и скоростью движения воздуха. Допустимые значения этих параметров устанавливаются строительными нормами и правилами (СНиП).

Вентиляция предназначена для поддержания внутри помещения определённого состава воздуха, который регламентируется санитарными нормами, а также отвечает требованиям технологического процесса. Различают вентиляцию естественную через окна, двери, специальные вентиляционные отверстия и принудительную, осуществляемую специальными вентиляционными системами. В случае необходимости в вентилируемый объём подают подогретый в калориферах воздух, затрачивая на это теплоту.

Тепловые технологические аппараты и устройства - это подогреватели для газообразных и твёрдых веществ, выпарные и ректификационные аппараты, сушилки для различных материалов и изделий, реакторы для осуществления химических реакций и др. Пар или вода в них могут использоваться как теплоносители, так и в качестве компонента для производства продукции. Для технологических процессов чаще всех применяется насыщенный или слабо перегретый пар с давлением 0,3 - 0,8 МПа и вода с температурой до 150С. В некоторых случаях используется пар с давлением до 9 МПа.

В основных технологических агрегатах, имеющих в качестве привода паровые машины или турбины (паровые молоты и прессы, ковочные машины, компрессионные машины для сжатия жидкостей и др.), теплоносителем и одновременно рабочим телом является водяной пар: для паровых машин - слабо перегретый до 200 - 250С при давлении 0,8 - 1,0 Мпа, а для паровых турбин - перегретый пар более высоких параметров.

Обеспечение теплотой с помощью теплоносителя систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий и технологических потребителей называют теплоснабжением. Централизованное теплоснабжение обеспечивает подачу теплоты (горячей воды или пара) многим потребителям, расположенным вне места его выработки. Система централизованного теплоснабжения включает источник теплоты (котельная или ТЭЦ), трубопроводы (тепловые сети), подающие теплоту от источника к месту потребления, и потребители теплоты (абонентские установки). Узлы присоединения потребителей к сети называют абонентскими вводами или местными тепловыми пунктами (МТП). Иногда между источником теплоты и потребителем размещаются центральные тепловые пункты (ЦТП). Задачей тепловых пунктов является обеспечение, распределение, регулирование и учёт расходуемой теплоты.

Системы теплоснабжения классифицируются: по роду теплоносителя (паровые и водяные); по типу источника теплоты (централизованные от ТЭЦ или крупных котельных и децентрализованные от местных или индивидуальных котельных); по способу подачи воды (открытое и закрытое горячее водоснабжение: открытое, если вода из сети непосредственно поступает к потребителю, закрытое, когда вода используется только как теплоноситель и из сети не отбирается); по числу трубопроводов (одно-, двух- и многотрубные).

Потребители теплоты определяют параметры и вид теплоносителя, режимы теплового потребления. Вид теплоносителя и его параметры обуславливают устройство тепловой сети. Эти обстоятельства в совокупности с концентрацией теплопотребления определяют устройство источников теплоснабжения. Наиболее прогрессивным является в настоящее время централизованное теплоснабжение с использованием теплоты отработавшего пара теплофикационных электростанций на базе комбинированного производства электрической энергии и теплоты.

Распространёнными теплоносителями в системах теплоснабжения являются водяной пар и горячая вода. Соответственно системы теплоснабжения называются паровыми и водяными. Выбор одного из этих двух теплоносителей определяется конкретными условиями их применения.

При использовании в качестве теплоносителя воды удаётся достичь более высокого КПД турбоустановки за счёт уменьшения давления греющего пара и увеличения выработки электроэнергии на тепловом потреблении. Водяные системы теплоснабжения позволяют организовать ступенчатый подогрев воды и этим ещё увеличить выработку электрической энергии теплофикационным способом. Водяная система теплоснабжения обладает повышенной аккумулирующей способностью и большим по сравнению с паровыми радиусом действия. В них отсутствуют потери конденсата у потребителей, имеющие место при использовании пара в качестве теплоносителя. Вода водяных сетей менее качественна, и её потери обходятся значительно дешевле, чем потери конденсата. Основными недостатками воды как теплоносителя является большая чувствительность к авариям, так как утечка воды при этом в 20 - 30 раз больше, чем пара. Это приводит к необходимым отключениям тепловой сети, тогда как паровая тепловая сеть при аналогичных повреждениях могла бы некоторое время оставаться в работе.

Кроме воды и пара в качестве теплоносителей используются уходящие газы котлов и печей, горячий воздух и другие вещества. Уходящие газы являются высокотемпературными продуктами сгорания топлива. Они применяются в качестве теплоносителя в огнетехнических устройствах индивидуального теплоснабжения. Их основное достоинство - высокая температура, а недостаток - низкий коэффициент теплоотдачи, засоренность золой, невозможность транспортировки на большие расстояния.

Горячий воздух применяется в основном для отопления (путём непосредственной подачи его в отапливаемое помещение). Транспортируют воздух, как правило, на расстояние не более 50 - 80 м.

Выбор теплоносителя для каждого отдельного потребителя теплоты и предприятия в целом производится прежде всего в соответствии с требованиями санитарных и противопожарных норм и правил. Важное значение при этом имеют также технико-экономическое обоснование, изучение режимов теплопотребления для рассматриваемой отрасли промышленности.

В системах централизованного теплоснабжения для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых, общественных и производственных зданий, как правило, применяется вода. Использование для предприятий в качестве единого теплоносителя пара для технологических процессов, отопления, вентиляции и горячего водоснабжения допускается только при технико-экономическом обосновании.

2.2.1 Расчёт тепловых нагрузок

При проектировании и разработке режимов эксплуатации систем теплоснабжения прежде всего решается задача определения тепловой нагрузки на все виды теплового потребления.

Отопление. Для того чтобы поддерживать температуру воздуха внутри отапливаемого помещения на требуемом уровне, необходимо обеспечить равновесие между тепловыми потерями здания и притоком теплоты. Это условие теплового равновесия можно представить выражением

Q = Qо + Qт.в

где Q - суммарные тепловые потери здания;

Qо - приток теплоты в здание через отопительную систему;

Qт.в - внутренние тепловые выделения (технологическое оборудование, силовые агрегаты и т. д.)

Для промышленных предприятий Qт.в может быть значительной, особенно в цехах, где есть мощные сети, теплообменные аппараты, сушилки и т. п. При расчёте отопления эти тепловые выделения должны учитываться.

Тепловые потери здания состоят из потерь теплоты теплопередачей через ограничивающие конструкции Qт и потерь теплоты Qинф инфильтрацией из-за поступления холодного воздуха в помещение через не плотности наружных ограждений

Q = Qт + Qинф = Qт (1 + )

где = Qинф/ Qт - коэффициент инфильтрации ( = 0,25-0,30 - для промышленных зданий; = 0,03-0,05 - для жилых и общественных зданий).

Потери теплоты, Вт или кДж/ч, для здания с наружным объёмом V, м3,

Qт = qo V (tв.р. - tн)

где qo - удельные теплопотери здания, Вт/(м3К) или кДж/м3чК);

tв.р. - расчётная температура воздуха внутри отапливаемых помещений;

tн - температура наружного воздуха, С.

Температура наружного воздуха в зависимости от климатических условий местности и сезона изменяется в довольно широких пределах. Для определения максимальных тепловых нагрузок отопления применительно к каждому географическому пункту СНиПом устанавливают так называемую расчётную температуру наружного воздуха tрн.

Температура воздуха внутри помещения tв.р. должна соответствовать условиям теплового комфорта и составляет 18-20С.

Удельные теплопотери qo (или отопительная характеристика здания) зависят от ограждающих конструкций, формы и размеров здания и его назначения. Значение qo выбирается по справочным данным или рассчитывается по приближённой зависимости

Значения коэффициентов в этой формуле принимаются равными: n = 8, a = 5,5 кДж/(м3чК) = 1,52 Вт/м3К и справедливы для зданий объёмом более 3 000 м3.

Тогда необходимый приток теплоты в здание через систему отопления при температуре наружного воздуха tн составит:

Qo = (1 + ) qoV (tв.р - tн) - Qт.в

Продолжительность отопительного периода согласно СНиПу определяется по числу дней с устойчивой среднесуточной температурой наружного воздуха +8С и выше.

Вентиляция. При естественной или принудительной циркуляции тёплый воздух удаляется из помещений, а вместо него поступает холодный наружный воздух. Под тепловой нагрузкой вентиляции понимается количество теплоты Qв, необходимое для нагрева наружного воздуха до расчётной температуры в помещении.

Оценку расхода теплоты на вентиляцию Qв производят по одной из формул

Qв = mв V Cв (tв.n - tн)

Qв = qв V (tв.р - tн)

где mв - кратность воздухообмена, 1/с и 1/ч; V - наружный объём здания, м3; Св - объёмная теплоёмкость воздуха, равная 1,26 кДж/(м3К); tв.n температура нагретого в калорифере воздуха, подаваемого в помещение, С; qв - удельный расход теплоты на вентиляцию, равный расходу теплоты на 1 м3 вентилируемого помещения (по наружному обмеру) при разности 1С между расчётной температурой воздуха внутрь вентилируемого помещения tв.р и температурой наружного воздуха tн.

Удельный расход теплоты на вентиляцию (вентиляционная характеристика зданий) qв выбирается в зависимости от его объёма и назначения. При отсутствии таких данных усреднённую величину qв можно принимать равной кДж/(м3чК) = 0,235 Вт/(м3К).

Кратностью воздухообмена mв называется отношение объёма воздуха, удаляемого из помещения (или подаваемого в помещение) за единицу времени к объёму помещения.

Для регулирования кратности объёма воздухом вентиляционные установки должны быть оснащены авторегуляторами, так как ручное регулирование несовершенно и приводит к перерасходу теплоты.

2.2.2 Графики тепловых нагрузок

Тепловые потребители определяют не только вид и параметры теплоносителя, но и характерные изменения во времени тепловых нагрузок теплоносителя. Различают сезонную и круглогодичную тепловую нагрузку.

К сезонной тепловой нагрузке относится отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Отопление и вентиляция - зимние тепловые нагрузки. Эти виды зависят от климатических условий, прежде всего от температуры наружного воздуха, а также его влажности, направления и скорости движения ветра, солнечного излучения. Сезонная нагрузка обычно имеет практически постоянный суточный и резко переменный годовой графики.

К круглогодичной тепловой нагрузке относятся технологическая нагрузка и горячее водоснабжение. Теплопотребление технологических процессов сильно отличается для предприятий различных отраслей и характеризуется большой неравномерностью как в течение суток, так и в течение месяца и года. Суточная неравномерность обусловлена особенностями технологического процесса и режимом работы предприятия.

Неравномерность месячных и годовых графиков теплопотребления предприятий объясняется наличием выходных и праздничных дней, влиянием организационных факторов (требований плана, выводом оборудования в ремонт и т.д.).

При удовлетворении тепловой нагрузки от ТЭЦ наибольшая экономия топлива достигается в том случае, если отборами турбины удовлетворяется только часть расчетной тепловой нагрузки, а для покрытия остальной тепловой нагрузки используются типовые водогрейные котлы. В этом случае максимальный отпуск теплоты от ТЭЦ:

Q`Т = Q `отб + Q`ПВК

где Q `отб - расчетная тепловая нагрузка отборов турбины,

Q`ПВК - максимальная тепловая нагрузка, отпускаемая от типовых водогрейных котлов (ПВК).

Долю расчетной тепловой нагрузки ТЭЦ, удовлетворяемую из отборов турбин, называют коэффициентом теплофикации, аТЭЦ = Q `отб/ Q`Т.

Оптимальная аТЭЦ зависит от совершенства оборудования ТЭЦ, КЭС и котельных, капитальных удельных вложений в их сооружение, вида и стоимости топлива, характера графика тепловой нагрузки и резерва электрической мощности в энергосистеме и находится в пределах от 0,4 до 0,7. Чем крупнее турбоагрегаты и ТЭЦ и лучше их технико-экономические показатели, чем дороже топливо, используемое на ТЭЦ тем выше оптимальное значение аТЭЦ..

2.3 Тепловые электрические станции

2.3.1 Типы тепловых электрических станций

Электрические станции - совокупность установок и оборудования, используемых для производства электрической энергии и теплоты, а также необходимые для этого сооружения и здания. Наиболее распространены паротурбинные тепловые электрические станции (ТЭС), использующие теплоту, выделяемую при сгорании органического топлива. Электрическая энергия на таких станциях вырабатывается генератором с приводом от паротурбинной установки.

В зависимости от вида вырабатываемой энергии различают конденсационные электрические станции (КЭС), предназначенные только для производства электрической энергии, и теплоцентрали (ТЭЦ), которые производят электрическую энергию и теплоту. На КЭС устанавливаются турбины с низким давлением в конце процесса расширения пара. При этом отработавший поток пара поступает в конденсатор, где охлаждается с потерей теплоты в окружающую среду. На ТЭЦ отработавший пар используют частично или полностью. В этом случае потери в окружающую среду сокращаются. В настоящее время мощность ТЭЦ составляет около 40% общей мощности ТЭС, а их доля в суммарной выработке электроэнергии достигает 35%.

По виду используемого топлива различают угольные, мазутные, газовые и газо-мазутные ТЭС. Все виды органического топлива являются не возобновляемыми источниками энергии, поэтому по мере исчерпания их запасов и удорожания добычи и транспортировки топлива стоимость производства на ТЭС электрической энергии и топлива будет возрастать.

Оборудование электростанций, на которых очищают органическое топливо, может быть приспособлено для сжигания твёрдого, жидкого или газообразного топлива. Обычно один вид топлива для данной электростанции является основным, а другой резервным.

В соответствии с начальными параметрами различают ТЭС с докритическим и сверхкритическим давлением пара. Для турбоагрегатов мощностью до 200 МВт применяют докритическое давление пара (около 13 МПа), а при мощности 250-300 МВт и выше - сверхкритическое давление пара (обычно 24 МПа).

Тепловые электростанции различаются также по типу применяемого котельного агрегата. На ТЭС с докритическим давлением пара устанавливается преимущественного барабанные котлы с естественной циркуляцией. Прямоточные котлы применяются на станциях с критическим и сверхкритическим давлением пара.

В соответствии с технологической структурой различают блочные и не блочные ТЭС. При блочной схеме каждая турбина снабжается паром только от «своего» котла. Система котёл - турбина в этом случае называется энергоблоком. Не блочные ТЭС имеют общие для всех котлов магистрали перегретого пара и питательной воды.

Технологическая схема производства электроэнергии на угольной ТЭС с паротурбинными установками выглядит следующим образом. Уголь со склада поступает в систему пылеприготовления, где он дробится, подсушивается и размалывается до пылевидного состояния. Размолотое топливо поступает в горелки, в которых смешивается с воздухом и далее сгорает в топочной камере парового котла. Теплота, выделившаяся в топке, передаётся в поверхностях нагрева воды, которая превращается вначале в насыщенный, а затем в перегретый пар, энергией которого приводится во вращение ротор паровой турбины. В электрическом генераторе, соединенном с турбиной, вырабатывается электрическая энергия, которая после повышения напряжения в трансформаторе направляется по линиям электропередачи к потребителю.

Воздух необходимый для процесса горения в топке, нагнетается дутьевым вентилятором и подогревается теплотой дымовых газов в воздухоподогревателе. Продукты сгорания топлива, отдав свою теплоту поверхностям нагрева котла, поступают в систему очистки дымовых газов и затем дымососом выбрасываются в дымовую трубу и рассеиваются в атмосфере. Уловленная в системе очистки зола вместе со шлаком, выпадающим в топочной камере, направляется на золоотвал.

Пар, отработавший в турбине, конденсируется в конденсаторе за счет отвода теплоты охлаждающей водой, перекачиваемой насосом из охладителя, в качестве которых служат градирни, пруды охладители или естественные водоемы (реки, озера, водохранилища). Конденсат откачивается из конденсатора насосом и пропускается через систему подогревателей, где нагревается паром, отбираемым из промежуточных ступеней турбины. Далее конденсат поступает в деаэратор, в котором освобождается от кислорода и углекислоты. Деаэрированная вода питательным насосом через систему подогревателей подается в котел, в результате чего обеспечивается замкнутый цикл движения рабочего тела. Потери рабочего тела в цикле компенсируются очищенной в системе подготовки добавочной водой.

2.3.2 Потребление электрической энергии

Характерной особенностью электрических станций является строгое соответствие производства электрической энергии и теплоты её потреблению.

Форму графика нагрузки в значительной степени определяет вид энергопотребления. Промышленное энергопотребление за счет одно- двухсменных предприятий снижается ночью и частично в вечернее время. Коммунально-бытовое потребление энергии значительно утром и вечером, причем в вечернее время пик нагрузки более продолжителен. Интенсивность транспортных перевозок по городским электрическим магистралям имеет явно выраженный пиковый характер в утренние и предвечерние часы. Уличное освещение имеет максимум ночью, когда другие нагрузки незначительны по сравнению с дневным. Суточные графики сельскохозяйственного потребления энергии характеризуются относительно ровной нагрузкой при сезонном изменении ее абсолютной величины.

График суточных нагрузок получается почасовым сложением всех потребителей обслуживаемого района за типично летние (июнь) и зимние (декабрь) сутки. Зимний график имеет два пика, летний - три. Летние нагрузки меньше по абсолютной величине.

Продолжительность в течение года, какой-либо нагрузки определяют суммированием ее длительности за 210 зимних суток и 155 летних суток (для широты Москвы). Площадь под кривой графика годовой продолжительности определяет суммарную годовую потребность в электроэнергии W э. Если эту площадь представить прямоугольником со стороной год = 8760 ч., то другая сторона даст среднюю годовую нагрузку Nср, кВт. Если при таком представлении за сторону прямоугольника взять максимально требуемую мощность Nм, то его другая сторона будет эквивалентна числу часов м использования в год максимальной мощности. С учетом изложенного потребность в электроэнергии определяется выражением.

,

Для обеспечения необходимой надежности в энергоснабжении установленная мощность электростанций Nу должна превышать максимальную мощность Nм требуемую потребителем, на величину резерва. Отношение Кр = Nу / Nм называют коэффициентом резерва. Он характеризует установленную на электростанции избыточную мощность и играет важную роль при экономическом анализе энергопроизводства.

Различают горячий (вращающийся), холодный и ремонтный резервы. Под горячим резервом понимают запас мощности, который можно реализовать, подгрузив или перегрузив в разрешенных пределах работающее оборудование. Холодный резерв составляет мощность имеющихся на электростанции и готовых к работе агрегатов, для запуска которых требуется определенное время. Ремонтный резерв составляют агрегаты, работающие вместо выведенного в плановый ремонт оборудования.

Невозможность хранения электрической энергии определяет непрерывное равенство ее выработки и потребления. Для покрытия плановой нагрузки потребителей составляются графики работы электростанций. Если электростанция работает в энергетической системе, то ее электрическая нагрузка определяется графиком, задаваемым этой системой. Большинство энергосистем состоит из разнотипных агрегатов. Для каждого значения суммарной мощности, потребляемой в энергосистеме, существует оптимальное распределение нагрузки между агрегатами, обеспечивающее наивысшую экономичность выработки электроэнергии. Возникающее внеплановые отклонения нагрузок распределяются между электростанциями и отдельными агрегатами. Таким образом, плановые и внеплановые изменения нагрузок потребителей вызывают работу значительной части энергетического оборудования в переменных режимах, включающих работу на пониженных нагрузках, полных остановках в конечные часы, перегрузку в период максимального потребления и др.

Одним из путей повышения экономии которая определяется в основном, котлом и зависит от его типа, конструкции котла, вида сжигаемого топлива. Барабанные котлы на газе или мазуте допускают снижение нагрузки до 20% от номинальной, а прямоточные, до 40-50%.

При частичных нагрузках в диапазоне 50-100% от номинальной экономичность энергоблока снижается в основном из-за уменьшения КПД турбоустановки. При снижении нагрузки менее 50% от номинальной существенно уменьшается КПД котла и относительно возрастает расход электроэнергии на собственные нужды.

Основными пусковыми характеристиками оборудования являются продолжительность пуска и расход топлива на пуск. Они зависят от пусковой схемы, исходного топливного состояния оборудования и его конструкции, параметров пара, способов пуска и останова. Расход топлива на пуск блока мощностью 300 МВт, может достичь 120-150 т.

В каждом графике нагрузки различают базовую, полупиковую (слабопеременную) и пиковую (резко переменную) части. В базовой части графика нагрузки работают наиболее экономичные ТЭС, АЭС и ГЭС в период сброса паводковых вод. Для этих электростанций использование максимума нагрузки составляет 6000 - 7500 ч. в год. Для агрегатов, покрывающих слабопеременную и пиковую части нагрузки, это число составляет соответственно, 2000-6000 и 500 - 2000 ч. в год. Причем, слабопеременная и пиковая части нагрузки с развитием электроснабжения увеличивают свой удельный вес, а отношение минимальной нагрузки Nmin к максимальной Nmax имеет тенденцию к снижению. В связи с этим возникла необходимость перевода в полупиковый режим существующих КЭС и ТЭЦ, ранее работавшие в базовой части. Но эти переводы не в состоянии обеспечить полностью покрытие переменного графика электрической нагрузки, и поэтому разработаны и вводятся в эксплуатацию специальные полупиковые и пиковые агрегаты, обладающие высокими маневренными характеристиками и способные выдерживать и выполнять любые графики нагрузок. Кроме того, используются другие способы покрытия пиков электрических нагрузок: использование резерва мощности и временных перегрузок паротурбинных блоков, работающих в режимах частых пусков и остановов; использование ГЭС, применения гидроаккумулирующих станций и др.

2.3.3 Показатели тепловой экономичности ТЭС

Экономичность работы ТЭС принято оценивать расходами теплоты и топлива на выработку энергии и коэффициентами полезного действия, которые разделяют на КПД брутто с, в котором не учитывается расход энергии на привод механизмов собственных нужд, и КПД нетто сн - с учетом расхода теплоты и электроэнергии на собственные нужды. Рассмотрим показатели тепловой экономичности конденсационных электростанций (КЭС) и теплоэлектроцентралей (ТЭЦ).

Конденсационные электростанции. КПД КЭС

сн = Wэ / Qс = Wэ(В Qнр)

где В - расход топлива, кг;

Qнр - низшая теплота сгорания топлива Qс, кДж/кг;

Qс - теплота подведенная с топливом, КДж/кг.

Если известны КПД котла к и турбоустановки т.у., то КПД электростанции:

с = к т.у.тр

где тр - КПД теплового потока, учитывающий потери теплоты при движении пара от котла к турбине (тр = 0.98-0.99).

В соответствии со вторым законом термодинамики КПД электростанции меньше 100%. Основная часть подведенной теплоты (около 50%) теряется в холодном источнике - конденсаторе турбины. Вторым по величине (5-10%) на 270С являются потери теплоты в паровом котле, в том числе 6-8% теряется с уходящими из котла паровыми газами.

В современных паротурбинах электростанциях КПД составляет 32-37%. В некоторых случаях достигает 42-43%.

КПД конденсационной электростанции нетто , учитывающий собственный расход энергии.

где Эсн - доля собственного расхода энергии электростанцией (Эсн=0,04-0,06); WЭотп - электроэнергия, отпущенная потребителю.

Наряду с КПД, показателем тепловой экономичности конденсационной электростанции служит удельный расход теплоты.

Если зс=0,32 - 0,37, то qc = 2,7 - 3,1. Для отдельных станций qc= 2,4 - 2,6.

Из уравнения (2.13) можно найти удельный расход топлива на выработку 1 кДЖ или 1 кВТч электроэнергии в кг/кДж или кг/(кВтч).

или

В нашей стране принято оценивать тепловую экономичность ТЭС расходом условного топлива (QНР = 29,3 МДж/кг.), тогда из последних выражений получаем расход условного топлива вy в кг. (МДж или кг/(кВтч).

или

В настоящее время на лучших ТЭС величина вy cоставляет 310-330 г/(кВтч).

Теплоэнергоцентрали. На ТЭЦ энергия топлива используется сначала на производство электроэнергии, а затем менее ценная теплота применяется для нужд теплофикации. В этом случае в качестве холодного источника служат потребители теплоты. Несмотря на то, что температура отвода теплоты из цикла при этом возрастает, народнохозяйственный эффект по экономии топлива обеспечивается уменьшением числа котельных, в которых необходимо было бы сжигание топлива при раздельной выработке электроэнергии на КЭС и теплоты в котельных. Для ТЭЦ в качестве показателей тепловой экономичности применяются частичные КПД по выработке электроэнергии и теплоты

;

где Qотп - количество теплоты, отпущенного потребителю, кДж, ВЭ и ВТ - соответственно расход топлива на производство электроэнергии и теплоты, кг или кг/с.

Расход топлива на ТЭЦ разделяют между выработанной электроэнергией и теплотой. Удельный расход условного топлива на выработку 1 кВтч электроэнергии Вyэ определяется из выражений (2.18.), в которые вместо зс подставляют зсэ.

Средний расход условного топлива на ТЭЦ составляет 265 г/(кВТч), что на 33% ниже, чем в среднем по КЭС. Для сравнения энергоблок с конденсационной турбиной Nэ= 800 МВт имеет вy=326,9 г/(кВтч), а c турбиной Nэ= 200МВт-357г/(кВтч).

Удельный расход условного топлива на выработку единицы топлива для внешнего потребителя ВyТ определяется из выражений (2.18.), в которые вместо зс подставляют зсТ

Для характеристики экономичности ТЭЦ иногда пользуются понятием удельной выработке на тепловом потреблении.

где Nт - мощность, развиваемая потоком пара, идущего а отбор; h0 и hт соответственно энтальпия свежего пара и пара в отборе; hок - энтальпия конденсата, возвращаемая на ТЭЦ потребителем.

Числовые значения Y находятся в пределах 50 - 200 (кВт.ч)/ГДж.

3. ГАЗОСНАБЖЕНИЕ

3.1 Газоснабжение и его место в энергоснабжении промышленности

Газоснабжение - организованная подача и распределение газового топлива для нужд народного хозяйства. Для газоснабжения используются природные и искусственные газы. Природные газ является наиболее совершенным и экономичным видом топлива. Наиболее крупные потребители природного газа - ТЭС, ТЭЦ и предприятия различных отраслей промышленности (черная и цветная металлургия, промышленность стройматериалов, машиностроение и др.).

Совершенствование, интенсификация и автоматизация технических процессов приводят к необходимости повысить качество расходуемых теплоносителей. В наибольшей мере по сравнению с другими видами топлива этим требованиям удовлетворяет природный газ.

Рациональное использование газообразного топлива с наибольшей реализацией его технологических достоинств позволяет повысить эффективность производства, которая связанна с повышением КПД агрегатов и сокращением расхода топлива. Применение газа для промышленных установок улучшает условия труда и способствует росту его производительности. Использование природного газа в промышленности позволяет осуществлять принципиально новые, прогрессивные и экономически эффективные технологические процессы. Кроме того, применение газа в качестве топлива позволяет значительно улучшить условия быта населения повысить санитарно - гигиенический уровень производства и оздоровить воздушный бассейн в городах и промышленных центрах.

Распределительные системы газоснабжения являются сложными многокольцевыми системами едиными для отраслей и республик, их эксплуатация должна базироваться на учете вероятного характера функционирования и обеспечения требуемой надежности подачи газа потребителю, в том числе при случайных процессах его потребления.

Газоснабжение городов и промышленных предприятий природными и искусственными газами осуществляется по магистральным газопроводам, транспортирующие газ от мест его добычи или производства к потребителям. Прием газа населенным пунктом или промышленным объектом производится на контрольно _ распределительном пункте, где газ редуцируется до допустимого нормами давления и поступает в городскую газовую сеть или на промышленное предприятие. Различают системы газоснабжения централизованные, в которых распределение газа потребителям производится по городской газовой сети, и децентрализованное (местное) _ от местных газогенерирующих установок или с использованием емкостей (цистерн, баллонов), заполненных сжиженными газами. Местная система широко применяется в газоснабжении жилых зданий и коммунально-бытовых предприятий малых городов и поселков, особенно находящихся на значительном расстоянии от магистральных газопроводов.

Транспортировка сжиженных газов от газобензиновых заводов к потребителям осуществляется по продуктопроводам, железнодорожными и автомобильными цистернами, а также в баллонах. Доставка основного количества сжиженных газов на большие расстояния производится в железнодорожных цистернах.

3.2 Обработка и хранение природного газа

Для надежной работы системы газоснабжения вблизи крупных городов сооружаются подземные хранилища газа, способные вмещать сотни миллионов м3 (иногда миллиарды м3) газа. Они менее опасны и во много раз экономически эффективнее, чем наземные (газгольдеры). Удельный расход металла на их сооружение в 20-25 раз меньше. В отличие от газгольдера, предназначенного для суточной неравномерности потребления газа, подземные хранилища обеспечивают сглаживание сезонной неравномерности, достигающей в промышленных городах 30 -35 % от средней за год величины. Летом, когда уменьшается расход газа, особенно за счет отопления, его накапливают в газовых хранилищах, а зимой, когда потребность в газе резко возрастает, газ из хранилища отбирают. Кроме того, подземные хранилища газа служат аварийным резервом топлива и химического сырья.