ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭНЕРГОАУДИТА

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Промышленный теплотехнологический комплекс является одним из основных потребителей топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) страны. Одни только высокотемпературные теплотехнологические системы, по уровню прямого потребления топлива, конкурируют с ТЭС страны [29]. Теплотехнологические системы имеют низкий КПД использования топлива (не более 15.35 %), но в то же время обладают исключительно большими потенциальными возможностями экономии топлива. Так, повышение сред­него КПД топливных печей в 2 раза (что еще существенно ниже принципи­ально возможного) приведет к годовой экономии топлива, примерно в 35 - 40 раз превышающей плановую экономию топлива в производстве элек­троэнергии на ТЭС [29].

Недостатки промышленных теплотехнологических систем:

• низкая интенсивность процессов тепло - и массообмена и эффектив­ность применяемых теплотехнических принципов;

• значительные материальные потери из-за несовершенства тепловых схем;

• несовершенство конструктивных схем ограждения технологических камер и установок;

• ограниченность применения прогрессивных источников энергии;

• отсутствие органической увязки технологического, энергетического, эксплуатационного аспектов теплотехнологических систем с задачами ох­раны окружающей среды.

Преодоление перечисленных недостатков возможно только путем раз­работки новых научно-методологических, научно-организационных, тех­нологических, энергетических основ. Это особенно актуально при реализа­
ции новых и коренной модернизации действующих теплотехнологических систем.

Идеальная теплотехнологическая систем - установка, в основе кото­рой лежит полная и одновременная реализация принципов безотходной технологии, которая характеризуется [29]:

• полным товарным извлечением всех компонентов исходного сырья, полуфабрикатов, материалов;

• экономным и высокоэффективным использованием ТЭР;

• применением замкнутых циклов промышленного использования во­ды, пара, конденсата;

• благоприятным производственным комфортом для человека;

• обеспеченной охраной окружающей среды.

Выбор эффективных направлений энергетической модернизации дей­ствующих установок существенным образом зависит от значения отноше­ния потока теплоты через ограждения технологической камеры (зоны) Qa<. к потоку теплоты, поглощаемому обрабатываемым материалом в этой ка­мере (зоне) 2м, т. е. от значения отношения Qo ^ IQM. Наивысший результат по экономии топлива и подъему КПД может иметь место только при одно­временном глубоком снижении Qa(; IQjj и наиболее полной регенерации теплоты уходящих газов.

В настоящее время особое значение приобретают научно - организационные мероприятия, направленные на развитие научно - исследовательских работ по безотходным технологиям и новым прогрес­сивным теплотехнологическим процессам, на развертывание научно- исследовательских работ по энергетическому обеспечению, теплотехниче­скому и конструктивному оформлению новых технологий и их отдельных процессов.

Совокупность общих современных требований может быть сформули­рована на базе важнейших научно-методологических, технологических, эксплуатационных, экономических, экологических и научно-технических мероприятий, нацеленных на обеспечение [29]:

• высокой устойчивости новых технических решений от быстрого морального их старения;

• технологического комфорта - благоприятных условий проведения заданного технологического процесса;

• эксплуатационного комфорта - благоприятных условий обслужива­ния установок и систем;

• высоких энергоэкономических показателей и низких общих издер­жек производства и природы.

При таком подходе любые новые теплотехнологические установки или системы будут конкурентоспособными с действующими крупными системами и откроют путь дальнейшего их совершенствования на базе рос­та единичной мощности.

1. Основные мероприятия, способствующие обеспечению высокой устойчивости новых теплотехнологических установок от быстрого мораль­ного старения, включают в себя [29]:

• реализацию перспективной и высокой удельной производительно­сти установки;

• новые технические решения теплотехнических принципов, откры­вающих пути оптимизации работы отдельных зон (камер) установок (сис­тем), чтобы иметь возможность и далее радикально улучшать их работу на базе как традиционных, так и новых источников энергии;

• реализацию в данной установке (или системе) значительно большо­го числа технологических процессов, что способствует достижению боль­шей устойчивости новых идей и новых решений при отдельных неудачах их освоения, создает более прочную основу универсального, и следова­тельно, экономически более выгодного их применения, стимулирует фор­мирование большей убежденности и настойчивости научных коллективов в реализации новых решений;

2. Основные мероприятия, способствующие обеспечению соответст­вующего технологического комфорта в установках и системах, включают в себя [29]:

• достижение высокого уровня температур теплотехнического про­цесса и обеспечение широкого диапазона их регулирования, что создает наиболее благоприятные условия проведения физико-химических стадий многих технологических процессов;

• достижение высокой термической, физической и химической одно­родности готового продукта и наличие средств управления процессами, определяющими эти виды однородности, что создает предпосылки наибо­лее качественного завершения технологического процесса;

• обеспечение высокой степени удержания в готовом продукте задан­ных компонентов исходных материалов, полуфабрикатов, шихт, что в ряде случаев является решающим фактором в определении перспективности того или иного варианта теплотехнологического процесса.

3. Основные мероприятия, способствующие обеспечению соответст­вующего эксплуатационного комфорта обслуживания теплотехнологиче- ских установок и систем, включают в себя [29]:

• непрерывность технологического процесса, что и открывает путь к наиболее совершенным схемам комплексной автоматизации и механиза­ции, к прогрессивным схемам управления и созданию крупнотоннажных поточных линий производства;

• наличие относительно небольшой массы обрабатываемого материа­ла, одновременно находящегося в рабочей камере теплотехнологической установки, что позволяет обеспечить более высокую чувствительность ее к изменениям определяющих параметров, снизить длительность пусковых и остановочных периодов и уменьшить расход материалов на «промывку» технологических зон установки, системы;

• органическое сочетание технологических зон (камер) установки без технических и теплотехнических сложных транспортных переходов между ними, а также органическое сочетание технологических зон и теплотехни­ческих элементов, что в итоге приводит как к компактности установок и систем, так и к повышению надежности их работы;

• высокую герметичность технологических камер и теплотехнических элементов технологической установки.

4. Основные мероприятия, способствующие достижению высоких энергоэкономических показателей теплотехнологических установок и ма­лых общих издержек производства и природы, включают в себя [29]:

• эффективную переработку исходных материалов, полуфабрикатов, шихт при минимальной предварительной их подготовке, что во многих случаях существенно снижает их потери, загрязнение территории, затраты на подготовительные операции;

• низкие потери технологического сырья и продуктов в рабочих зонах установок и систем;

• длительную и непрерывную рабочую кампанию (корпорацию) тех­нологических установок и систем;

• высокую тепловую герметичность ограждений, особенно высоко­температурных технологических камер и зон;

• организацию глубокого регенеративного использования тепловых отходов технологических зон (камер) установок для обеспечения наиболее низкого уровня видимого расхода топлива и возможность организации в необходимых случаях глубокого внешнего теплоиспользования, которым реализуются дополнительные косвенные пути снижения расхода топлива (энергии).

При разработке новых технологических процессов и оборудования для них, когда проведение предварительных расчетных оценок основных кон­структивных и режимных характеристик новых образцов на заданные пара­метры встречает большие затруднения, большой практический интерес пред­ставляет метод аффинных физических моделей [29].

Аффинное преобразование (от лат. affinis - родственный) - преобразо­вание плоскости или пространства, которое можно получить комбинируя движения и гомотетии в направлениях координатных осей. Гомотетия (от греч. homos - равный, взаимный, общий, одинаковый и от греч. thetos - расположенный) - преобразование подобия, преобразование плоскости или пространства.

Аффинные физические модели не являются точными или строго по­добными физическими моделями и характеризуются наличием одного или нескольких нереализованных существенных требований подобия с образ­цом, например, подобие модели касательно образца в отношении тепловой нагрузки, тепловых потерь в окружающую среду и неподобие модели об­разцу в геометрическом отношении. Метод аффинных физических моде­лей, как экспериментально-расчетный метод, позволяет прогнозировать отдельные параметры [29].

1. Прогнозирование параметров промышленных установок на основе опытных устройств в условиях ограниченных проектно-расчетных возмож­ностей и переход от экспериментальных стендов, пилотных установок к проектируемым промышленным агрегатам и установкам.

2. Прогнозирование параметров крупных проектируемых промыш­ленных установок, агрегатов на основе действующих, но менее мощных, в условиях ограниченных проектно-расчетных возможностей. Надежный и достаточно обоснованный переход от эксплуатируемых промышленных агрегатов к новым, более мощным агрегатам этого же технологического назначения.

3. Прогнозирование параметров действующих установок на основе единичного опыта на одной из ряда действующих установок или обобще­ние единичного опыта. Перенос результатов часто сложных и трудоемких экспериментальных исследований (например, по оптимизации) единичного промышленного образца на другие, технологически тождественные про­мышленные образцы, отличающиеся производительностью и находящиеся в аффинном ряду.

Метод аффинных физических моделей предусматривает математиче­ское описание процессов изучаемого объекта и последующий анализ мето­дами теории подобия. Но при этом круг решаемых задач, последователь­ность и содержание операций метода аффинных моделей отличаются от традиционного метода физического (прямого) моделирования. Метод аф­финных моделей, как и метод подобных моделей, предусматривает пере­счет данных исследования модели по равенствам однородных инвариантов (чисел) подобия на образец, подобный этой модели. Но этот образец, назы­ваемый условным, в общем случае, как и модель, находится в аффинном ряду по отношению к прогнозируемому образцу и может иметь нереальные расчетные параметры [29].

Поэтому метод аффинных моделей предусматривает необходимость и возможность расчетной корректировки условного образца на основе имеющихся методик расчета, чтобы привести его отдельные показатели в соответствие с предполагаемыми условиями работы прогнозируемого об­разца (например, корректировка теплового баланса установки вследствие нетождественности потерь в окружающую среду). После расчетной коррек­тировки производится сравнительная количественная оценка организации процессов в условном и скорректированном образцах, чтобы установить принципиальную возможность реализации заданной производительности в условиях скорректированного образца. При установлении такой возможно­сти данные скорректированного образца могут служить основой для оцен­ки параметров прогнозируемого образца.