ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Экономия ТЭР путем совершенствования энергоснабжения

Основными из мероприятий являются:

1. Правильный выбор энергоносителей. Для каждого процесса необ­ходим такой энергоноситель, который обеспечивает наибольший энергети­ческий и экономический эффект. Например, для печей и нагревательных установок должны сравниваться прямое использование топлива и электро­нагрев; для кузнечно-прессового оборудования — электроэнергия, сжатый воздух и пар (если он имеется на предприятии). Вид энергоносителя выби­рают, сопоставляя варианты и комплексно анализируя следующие факто­ры:

- требования со стороны технологии (изменение качества выпус­каемой продукции, расход сырья и пр.);

- экономические различия в конструкции и условиях эксплуатации оборудования;

- затраты на сравниваемые энергоносители;

- наличие необходимого оборудования;

- необходимый период времени для осуществления замены обору­дования;

- экономический эффект от использования ВЭР, затраты на эколо­гические мероприятия.

Затраты по рассматриваемым вариантам определяются по выраже­нию

З — Е • Кп + Ип + Эуд • П • Зуд з. - ХАЗг-,

где Е - срок окупаемости; Кп - капитальные затраты на данную технологиче­скую установку без учета затрат на установки ВЭР; Ип - эксплуатационные издержки без энергетической составляющей; Эуд - удельный расход энерго­ресурсов; П - годовой выпуск продукции; Зуд. з - приведенные удельные за­траты (тарифы) на энергоносители; ПАЗ, - эффект от использования ВЭР.

Для предприятий допускается оценка сравниваемых вариантов по действующим тарифам на энергию, если затраты на мероприятия покры­ваются из фонда предприятия.

2. Уменьшение числа преобразований энергии. Так как каждое пре­образование энергии связано с потерями, то чем меньше последовательных преобразований претерпевает энергия, тем выше общий КПД. Экономиче­ски, например, целесообразна замена сжатого воздуха электроэнергией всюду, где это возможно по технологическим условиям.

3. Разработка рациональных схем энергоснабжения. Схема энерго­снабжения завода - сложный комплекс, в котором взаимозависимы и часто взаимозаменяемы отдельные энергоносители. Разработка комплексной схемы энергоснабжения, увязанной с технологией и учитывающей техно­логически необходимые параметры всех энергоносителей, вскроет резервы экономии и покажет очередность их реализации. Основные пути решения проблем газосбережения представлены в [73].

4. Автоматизация энергоснабжающих установок. Сюда относятся та­кие мероприятия, как автоматизация отопительных агрегатов, бойлерных установок, подстанций и внедрение телеуправления и автоматического ре­гулирования параметров энергии различных двигателей и агрегатов.

5. Повышение качества энергоресурсов. Любое изменение парамет­ров энергоресурсов (давления, температуры, влажности, сернистости, зольности, качества электроэнергии и т. п.) приводит к ухудшению качест­ва продукции и перерасходу энергоресурсов.

Экономия ТЭР путем совершенствования энергоиспользования

Данные мероприятия разрабатываются технологами совместно с энергетиками. Основными из них являются:

1. Организационно-технические мероприятия.

2. Внедрение технологических процессов, оборудования, машин и механизмов с улучшенными энерготехнологическими характеристиками.

3. Совершенствование действующих технологических процессов, модернизация и реконструкция оборудования.

4. Повышение степени использования ВЭР.

5. Утилизация низкопотенциального тепла.

Покажем направления совершенствования энергоиспользования на примере ряда технологических агрегатов металлургического назначения.

Индукционные печи и установки. Индукционный нагрев и плавка металлов широко используются в металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности. Индукционный нагрев токами про­мышленной частоты (50 и 60 Гц) применяется для сквозного нагрева ме­таллов при прокатке, ковке и штамповке. Мощности этих установок дости­гают 30 МВт. Индукционные установки высокой частоты (от 100 Гц до 1 млн Гц) применяются в термических, прокатных, трубопрокатных произ­водствах для термообработки деталей, сварки труб, выращивания моно­кристаллов и т. д. Мощность этих установок достигает 10 МВт. Индукци­онные печи для плавки металлов по принципу действия делятся на каналь­ные и тигельные. Канальные печи применяются для плавки меди, латуни, цинка, алюминия. Они имеют мощность до 4000 кВ-А и работают на про­мышленной частоте (50 и 60 Гц). Тигельные печи применяются для плавки чугуна, алюминиевых и медных сплавов. Они имеют мощность до 20000 кВ-А и работают как на промышленной, так и на повышенной частоте — 500, 1000 и 2400 Гц. В последние годы наметилась тенденция применения индукционных канальных и тигельных печей для плавки электростали. Удельные расходы электроэнергии в индукционных установках зависят от

типа расплавляемого металла и лежат в следующих пределах, кВт-ч/т:

TOC o "1-5" h z Тигельные для плавки чугуна 600 - 800

Канальные для плавки:

меди 250 - 300

медных сплавов 160 - 220

алюминия и его сплавов 360 - 500

цинка 90 - 120

Индукционный нагрев металлов 300 - 400

Энергетический баланс индукционных печей свидетельствует о том, что на удельные расходы электроэнергии в них влияют: производитель­ность; температура загружаемой шихты; температура кладки печи; вели­чина зумпфа (жидкого металла, оставляемого в печи после плавки), тепло­вые и электрические потери.

Электропечи сопротивления. По технологическому назначению печи сопротивления можно разделить на три группы:

1. Термические печи для различных видов термической и термохи­мической обработки черных и цветных металлов, стекла, керамики, метал­локерамики, пластмасс и других материалов.

2. Плавильные печи для плавки легкоплавких цветных металлов и химически активных тугоплавких металлов и сплавов.

3. Сушильные печи для сушки лакокрасочных покрытий, литейных форм, металлокерамических изделий, эмалей и т. п.

По характеру работы печи сопротивления разделяют на печи непре­рывного и периодического действия. Мощность печей от 5 до 10000 кВт.

Основными путями снижения удельных расходов энергии являются: снижение тепловых потерь, в том числе и за счет улучшения теплоизоля­ции; повышение производительности печей; уменьшение потерь на акку­муляцию тепла и предварительный нагрев изделий; оптимизация и автома­тизация электрических и технологических режимов работы печи.

Электросварочные установки. Организационно-технические меро­приятия по экономии электроэнергии в электросварочных установках можно условно разделить на две основные группы: технологические и энергетические. Наибольшие возможности экономии электроэнергии имеются в технологии сварочного производства, и только 20 — 30 % дают энергетические мероприятия. Основные мероприятия по снижению удель­ных расходов электроэнергии на сварку:

- оптимальный выбор способа сварки;

- совершенствование технологии электросварки;

- снижение электрических и тепловых потерь;

- устранение холостого хода сварочных агрегатов;

Оптимальный выбор способа сварки. Здесь возможны следующие

пути:

- Замена ручной дуговой сварки на переменном токе автоматиче­ской под флюсом (позволяет получить 5 — 7 % экономии электроэнергии).

- Переход от ручной электросварки на постоянном токе к полуав­томатической в среде углекислого газа (уменьшает удельный расход элек­троэнергии в 2 — 2,5 раза).

- Замена ручной дуговой электросварки точечной контактной (уменьшает удельные расходы электроэнергии в 2 — 2,5 раза).

- Замена дуговой электросварки на шовную контактную (снижает расход электроэнергии на 15 %).

- Перевод ручной дуговой сварки с постоянного тока на перемен­ный (уменьшает расход электроэнергии в 2 — 3 раза).

При контактной сварке наиболее экономичной является точечная, поэтому расширение применения точечной сварки дает большую эконо­мию электроэнергии.

Совершенствование технологии электросварки возможно:

- за счет использования электродов с покрытием, в которое введен железный порошок (позволяет увеличить силу сварочного тока, повысить производительность и снизить удельные расходы электроэнергии на 8 — 12 %);

- применения присадки в виде металла в порошке (при сварке под флюсом Жуд снижается на 30 - 40 %);

- применения электрошлаковой сварки при сварке металлов боль­шой толщины;

- введения контактной сварки на жестких режимах;

- правильного выбора режимов работы.

Точечную рельефную и шовную сварку изделий можно производить на мягких и жестких режимах. Расчеты показывают (табл. 14.20), что при сварке на жестких режимах (повышенный ток /св, но уменьшенное время сварки ґсв) расходы электроэнергии снижаются в 1,5 - 4,0 раза. Поэтому при выборе режимов сварки надо ориентироваться на жесткие.

На потери электроэнергии в электросварочных установках значи­тельное влияние оказывает коэффициент загрузки Кз и активное сопротив­ление сварочного контура R2. Оптимальный коэффициент загрузки Кзопт электросварочной установки, соответствующий максимуму КПД рэ, равен

Кз. опт _ АР х. х/ А Р

где АРх. х, А Ркз - потери холостого хода и короткого замыкания.

Если учитывать только электрические потери, то для всех типов сва­рочных установок Кзопт = 0,2 — 0,3. Работа электросварочных установок с указанными Кзопт является явно не оптимальной, поэтому при выборе Кзопт необходимо учитывать и тепловой КПД.

Для сварки изделий из стали можно рекомендовать следующие Кзопт: 0,5.0,8 — точечные подвесные; 0,65.1,5 — многоточечные;

0,7.0,8 — шовные.

Внедрение ограничителей холостого хода сварочных преобразова­телей и трансформаторов дает экономию электроэнергии в размере 15 — 20 % на каждой установке.

Наряду с перечисленными мероприятиями можно также рекомендо­вать:

- замену контактных однофазных машин переменного тока маши­нами постоянного тока, позволяющую экономить электроэнергию за счет уменьшения мощности машин и индуктивного сопротивления вторичного контура

- периодическую проверку сопротивления вторичных контуров и состояния их контактов, особенно у подвесных сварочных машин;

- применение электрошлаковой сварки для соединения деталей толщиной более 30 — 40 мм вместо дуговой сварки.

Системы снабжения потребителей сжатым воздухом

Сжатие воздуха — неэффективный с энергетической точки зрения процесс, так как КПД этого процесса находится в пределах 10 %.

В установках сжатого воздуха применяются центробежные, осевые, поршневые, винтовые компрессоры.

Снизить затраты электроэнергии в установках сжатого воздуха воз­можно:

- за счет снижения номинального рабочего давления компрессора и в сети сжатого воздуха;

- понижения температуры воздуха, всасываемого компрессорами;

- отключения лишних компрессоров при снижении расходов сжа­того воздуха;

- внедрения в поршневых компрессорах прямоточных клапанов;

- уменьшения длины магистральной и распределительной сети по­дачи сжатого воздуха;

- использования эффекта резонансного наддува поршневых ком­прессоров;

- подогрева сжатого воздуха перед пневмоприемниками;

- замены компрессоров старых конструкций на новые с более вы­соким КПД;

- систематического контроля за утечками сжатого воздуха;

- отключения отдельных участков или всей сети сжатого воздуха в нерабочее время;

- замены пневмоинструмента на электроинструмент.

Потребление сжатого воздуха с давлением выше необходимого при­водит к непроизводительному расходу электроэнергии. Понижение давле­ния у потребителей сжатого воздуха может быть осуществлено с помощью редуктора, инжектора, дросселированием и регулированием давления. Наиболее эффективно применение регуляторов давления. Потери энергии (кВт-ч/год) при использовании сжатого воздуха при давлении выше номи­нального определяются как

1,1( А1 - А2)60Шг AW = ——!----------------------- г------ Ei,

3672°0псППмПЛ

где А1, А2 - работа сжатия 1 м при повышенном и номинальном давлении,

33

Дж/м ; П - производительность компрессора, м /мин; ґр. г - время работы компрессора в год, ч; щ, рс, щ, Пп - КПД индикаторной части, электриче­ской сети, электродвигателя, передачи, цм - КПД механизма, потребляю­щего сжатый воздух.

Необходимо избегать уровней давления выше 5 бар. Понижение дав­ления на 1 бар дает экономию энергии в 5 — 10 %.

Опыт эксплуатации показывает, что при установке прямоточных клапанов вместо кольцевых (пластинчатых) удельный расход электроэнер­гии на выработку сжатого воздуха снижается в среднем на 13 — 15 % при одновременном увеличении подачи компрессоров на 10 %.

Одним из эффективных способов экономии электроэнергии при ис­пользовании сжатого воздуха является теплоизоляция воздухопровода, по­зволяющая подать потребителю сжатый воздух с повышенной температу­рой. При этом уменьшается расход воздуха и, следовательно, потери элек­троэнергии.

Экономия электроэнергии за счет теплоизоляции составляет

AW = 0,22П • А© • ^уд/р г,

где А© — разность температур до устройства теплоизоляции воздухопрово­да и после; ^уд — удельный расход электроэнергии на выработку 1 м3 сжа­того воздуха, кВт-ч/м3.

Применение компрессоров новых конструкций с более высоким КПД взамен устаревших дает экономию электроэнергии

АW = (Р, - Р2)tр. г • 10-3,

где Р1 и Р2 — мощности электродвигателей старого и нового компрессора, кВт.

Правильный выбор места забора воздуха и прокладки всасывающего воздуховода (в тени, на северной стороне здания, в отдельности от цехов и стен с большими тепловыми выделениями) снижает расход электроэнер­гии на выработку сжатого воздуха на 1 % на каждые 2,5 °С понижения температуры всасываемого воздуха.

Использование эффекта резонансного наддува цилиндров поршне­вых компрессоров путем обеспечения рациональной длины всасывающего воздуховода или включения в воздуховод резонатора определенного объе­ма сокращает удельный расход электроэнергии примерно на 3 — 5 % при одновременном повышении производительности до 5 — 8 %.

Внедрение автоматических регуляторов компрессоров для обеспече­ния постоянного давления у пневмоприемников дает экономию электро­энергии от 15 до 30 % в зависимости от режима потребления.

Устранение вибрации воздухопроводов и пульсаций в них воздуха путем установки ресивера на вводах в литейные, кузнечно-прессовые и другие цехи с резко пульсирующим потреблением сжатого воздуха может дать до 20 % и более экономии электроэнергии.

Повседневная борьба с утечками сжатого воздуха путем системати­ческого контроля за состоянием сети и оборудования (и устранения дефек­тов), установки самозапирающихся клапанов, пистолетов, штуцеров, за­жимов позволит снизить непроизводительные потери сжатого воздуха на 10 —20 % и более. Снижения потерь воздуха и нерациональных потерь дав­ления можно также добиться:

1) за счет отключения цехов и участков в нерабочее время;

2) разделения питающих воздуходувов для потребителей высокого и низкого давления, а также для потребителей с неравномерным и перемен­ным режимами работы;

3) в отдельных случаях дросселирования воздуха у потребителей низкого давления при отборе из сети высокого давления.

Большую экономию электроэнергии можно получить путем пра­вильного выбора числа и мощности компрессоров, особенно это касается крупных компрессоров, при их работе на односменных и двусменных предприятиях, так как они имеют ограничение по числу возможных пус­ков. Это приводит к тому, что компрессоры работают непрерывно с час­тичным снижением нагрузки при дросселировании на всасывании в нера­бочее время. Это приводит к потерям электроэнергии до 60 — 70 %.

На крупных предприятиях следует идти на децентрализованные сис­темы снабжения потребителей сжатым воздухом, что позволит значитель­но снизить мощности компрессоров и потери в магистральных сетях.

Для регулирования подачи следует применять параллельно рабо­тающие компрессорные агрегаты или регулирование частоты вращения компрессоров (частотное регулирование).

Насосные установки

В зависимости от назначения и рода перекачиваемой жидкости на­сосные установки подразделяются на водопроводные, канализационные, мелиоративные, теплофикационные, нефтеперекачивающие и др.

На современных насосных установках наибольшее распространение получили центробежные и осевые лопастные насосы.

Центробежные насосы регулируются изменением частоты вращения рабочих колес или изменением степени открытия задвижки (затвора) на напорной линии. Прикрывая или открывая затвор, изменяют крутизну ха­рактеристики G-H трубопровода (рис. 14.1), которая зависит от его гид­равлического сопротивления. Прикрывая затвор, увеличивают крутизну характеристики, при этом рабочая точка насоса А1 перемещается в поло­жение А2, подача уменьшается до значения G2, напор, развиваемый насо­сом, возрастает до значения Н2, а напор на трубопроводе за затвором сни-

f

жается до значения Н2 за счет потерь напора ДНп в затворе.

Увеличивая степень открытия затвора, уменьшают крутизну харак­теристики трубопровода. Этот способ регулирования считается малоэко­номичным, так как на преодоление дополнительного гидравлического со­противления в затворе требуются дополнительные затраты энергии.

При изменении частоты вращения насоса изменяется положение его характеристики G-Н. Уменьшая частоту вращения, перемещают характе­ристику вниз параллельно самой себе. При этом рабочая точка, перемеща-

f

ясь по характеристике трубопровода, занимает положение А 2, следова­тельно, подача уменьшается так же, как и напор в сети и напор, развивае­мый насосом.

Мощность электродвигателя насоса определяется по выражению, кВт Р = k з. п • G н • (Н с + A H ) • Y

н 367200 •Пн •П эд ’

3

где &зап — коэффициент запаса (при Gh < 100 м /ч; &зап = 1,2 — 1,3; при Gh > 100 м /ч; &зап = 1,1 — 1,5); Нс — статический напор (сумма высот всасы­вания и нагнетания ), м вод. ст.; АН — потери напора в трубопроводах, м вод. ст.; пн — КПД насоса; %,д — КПД электродвигателя; у — плотность

33

жидкости, кг/м ; Gh — подача насоса, м /ч.

Удельный расход электроэнергии в насосных установках определя-

2

ется по выражению, кВт • ч/м :

= 0,00272( Нс +АН)

WYa = ПнПэд *

Как видно из данного выражения и рис. 14.1, экономии электроэнер­гии в насосных установках можно добиться:

1) правильным выбором характеристик насосного агрегата (Gn, Н);

2) повышением КПД насосов и приводных электродвигателей;

3) повышением загрузки насосов и совершенствованием регулирова­ния их работы;

4) уменьшением сопротивления трубопроводов;

5) сокращением расхода и потерь воды.

Исследование насосных станций показывает, что в ряде случаев на­блюдается несоответствие паспортных характеристик насосов (Gn, Н) фак­тическим характеристикам систем водоснабжения.

При работе насосной установки с подачей меньше расчетной возни­кает несоответствие между напором, развиваемым насосом, и напором, требуемым для подачи того или иного количества жидкости (т. е. превы­шение напора насоса). Из рис. 14.1 видно, что при уменьшении подачи требуемый для сети напор уменьшается, а развиваемый насосом напор увеличивается. Разность значений этих напоров ДНп = Нн - Нс.

Из графика совместной работы насоса и трубопровода видно, что значение ДНп тем больше, чем круче характеристики насоса и трубопрово­да и чем меньше фактическая подача насоса по сравнению с расчетной.

Годовые потери электроэнергии за счет повышения напора соста­вят, кВт-ч:

k G АН у

А W = зап н ■ Т,

367200■ПнП

г - эд

где Тг - годовое время работы насоса с превышением напора на ДНп. Если насос работает с переменным напором и давлением, то

k Y n

АW =-------------------------------------------------------------------------------------------------- —---------------------------------- УGHi----- - АНпТг,

367200 пПд 1=Ґ н пг г

где GHi - напор на i-м интервале времени, ДНпі - превышение напора на і-м интервале времени; Тг - годовая продолжительность і-го интервала; п - число интервалов изменения напоров.

Регулирование работы насосов. В практике неизменных (постоян­ных) режимов водоснабжения не бывает. Насосы работают в переменном режиме в зависимости от режимов потребления воды (рис. 14.2). Поэтому правильное изменение режимов работы насосов, т. е. рациональное регу­лирование, обеспечивает значительную экономию электроэнергии. Регу­лирование режима работы насосов может осуществляться напорной или приемной задвижкой; изменением числа параллельно работающих насо­сов; изменением частоты вращения электродвигателя.

Рис. 14.2. Суточный отпуск воды со 2-го подъема водопроводной станции

Анализ этих способов регулирования показывает следующее:

- при регулировании задвижкой с уменьшением расхода воды КПД насоса уменьшается, а значения напора растут. Следовательно, с уменьше­нием расхода воды удельный расход электроэнергии быстро возрастает;

- при регулировании изменением числа параллельно работающих насосов КПД двигателя и насоса остаются неизменными. Напор из-за уменьшения расхода и потерь в сетях снижается, что приводит к сниже­нию удельных расходов электроэнергии;

- при регулировании изменением частоты вращения насоса КПД насоса и электродвигателя с уменьшением расхода практически не снижа­ется, но снижается напор. Поэтому снижаются удельные расходы электро­энергии.

Частотное регулирование осуществляется с помощью преобразова­телей частоты. Оно позволяет:

- автоматически поддерживать необходимое давление воды при из­менении объема водопотребления;

- в 2 — 3 раза увеличить срок службы электродвигателей и насосов за счет исключения перегрузок при потреблении воды, а также при посадках напряжения в сети;

- увеличить срок службы трубопроводов за счет отсутствия избы­точного давления;

- сократить расход воды за счет уменьшения потерь при избыточном давлении (в системах водоснабжения каждая лишняя атмосфера вызывает в результате больших утечек дополнительно 7 — 9 % потерь воды);

- сократить трудозатраты на эксплуатацию систем водоснабжения за счет бесперебойной работы насосов, а также автоматического отключения с выработкой командного сигнала на подключение резервного насоса и применения автоматизации управления от АСУТП.

Годовой экономический эффект при применении частотного регули­рования складывается из трех составляющих:

1) эффекта от снижения потерь электроэнергии за счет повышения КПД насосных агрегатов:

2) эффекта от снижения расходов воды за счет стабилизации давле­ния в системах подачи и распределения воды:

3) эффекта от увеличения срока службы и межремонтных периодов электро - и механооборудования, затрат на приобретение, монтаж и обслу­живание запорной арматуры.

Мощность преобразователя частоты определяется по выражению

Рп. ч = (1,1 - 1,2)- Рн.

Годовая экономия электроэнергии при внедрении преобразователя определяется как

П

AW = Н вых Яне°б . G. T

^пг 367• ПнПэд Zj н 1П'

І =1

где Нвых — напор на выходе насоса, м вод. ст.; Ннеоб — напор, поддерживае­мый в магистрали, за задвижкой, м вод. ст.

Повышение КПД насосов. Замена устаревших насосов на новые с бо­лее высоким КПД позволяет получить экономию электроэнергии

AWr. = 0,00272 Н------------------------------ GT,

1 ^ М 1 / •

Пд Пн. н - Пн. ст

Уменьшение сопротивления трубопроводов. Причины повышенных удельных расходов электроэнергии на подачу воды — неправильная конфи­гурация трубопровода, когда поток испытывает резкие повороты, засорен­ность всасывающих устройств и др. Устранение этих причин приводит к уменьшению сопротивления трубопроводов и снижению расхода электро­энергии.

Потери напора в трубопроводе на прямом участке составляют АН = 0,083 XLG2/d5; для местных сопротивлений АН = 0,083 QG2/d, где X — коэффициент трения воды о стенки труб (X = 0,02 — 0,03); L — длина участка трубопровода, м; G — действительный расход, м /с; d — диаметр трубопровода, м; Z — коэффициент местного сопротивления: для задвижек Z = 0,5; для закругленного на 90 ° колена Z = 0,3; для обратного клапана Z = 5,0.

Утечки воды через неплотности соединений трубопроводов и арма­туры ведут к прямым потерям электроэнергии. Значения этих потерь опре­деляются следующими способами:

1) при наличии расходомеров в начале и конце участка распредели­тельной сети потери определяются разностью замеренных расходов воды за отчетный период в начале и конце участка;

2) при разветвленной сети с большим внутренним объемом потери воды можно определить по точному расходомеру, отключив от сети всех потребителей.

Замеренные потери воды необходимо умножить на фактический удельный расход электроэнергии на подачу воды данной насосной, полу­ченное значение равно потерям электроэнергии, вызываемым плохим со­стоянием водопроводной сети.

Большое количество воды на промышленных предприятиях исполь­зуется для охлаждения различных технологических установок. Вода для этих целей может использоваться многократно по замкнутому циклу. Вне­дрение оборотного водоснабжения может сократить расход первичной во­ды в 2 раза и обеспечить экономию электроэнергии на 15 — 20 %.

Уменьшить расходы воды и соответственно расход электроэнергии можно совершенствованием систем охлаждения металлургических и тер­мообрабатывающих печей, сварочных аппаратов и высокочастотных уста­новок, а также применением схем автоматического управления подачи во­ды на охлаждение.