Экономическая конкурентоспособность на мировом рынке и соблюдение высоких экологических стандартов в целях снижения загрязнения воздуха, воды и почвы являются основными факторами, определяющими для компаний и организаций из разных секторов при принятии решений об операционных и капитальных затратах [1]. Одним из способов снижения затрат и воздействия на окружающую среду является повышение энергоэффективности. Сокращение потребления энергии напрямую проявляется в повышении конкурентоспособности, сокращении выбросов, отходов и улучшении состояния окружающей среды.
Понятие энергоэффективности часто ошибочно ассоциируется только с эффективностью в строительном секторе, в то время как проблема энергоэффективности в промышленности гораздо шире, обычно гораздо сложнее [2] и чаще всего включает пароконденсатные системы как важную часть промышленных энергетических систем. Более того, пароконденсатные системы используются не только в промышленности, но и в других областях, таких как здравоохранение, гостиничный бизнес (отели, курорты и т.д.), коммерческие здания, сельское хозяйство (тепличные хозяйства) и т.д., что повышает важность для улучшения их эффективность.
Пар является наиболее распространенным среди энергоносителей в пищевой и консервной промышленности благодаря своей доступности, теплофизическим свойствам, а также нетоксичному и неагрессивному химическому составу. По своей природе это очень гибкая среда передачи энергии, которая может быть использована как для технологического нагрева, так и для выработки электроэнергии [3].
Насыщенный водяной пар является исключительно эффективным и экономичным теплоносителем, который поддерживает постоянную температуру во время теплопередачи при конденсации и характеризуется большим количеством передаваемой энергии на единицу массы (в виде скрытого тепла), а также высокими коэффициентами теплопередачи [3-6]. Учитывая, что аналитические данные показывают, что среднее потребление энергии паром в промышленности может составлять до 35-40% от общего энергопотребления на предприятии [4], очень важно оптимизировать пароконденсатные системы и минимизировать их эксплуатационные расходы [3].
В принципе, система пароконденсата состоит из четырех подсистем: парогенерирующей установки, системы распределения, потребителей пара и системы возврата конденсата [3, 4]. Несмотря на сходство, не существует двух одинаковых систем, и очень сложно провести обобщение между ними. Методы оценки энергетических характеристик паровых котлов, а также факторы, влияющие на КПД котлов, разработаны во многих работах [4-7]. Большинство исследований, опубликованных в литературе, как правило, рассматривают компоненты паровой системы как отдельные объекты, а не анализируют, синтезируют и оптимизируют всю систему в целом.
В работе Saidur [8] проведен анализ ряда возможностей энергосбережения в промышленных котельных, таких как снижение температуры дымовых газов, оптимизация расхода избыточного воздуха за счет внедрения системы подачи кислорода, применение привода с регулируемой скоростью вращения вентиляторов и т.д., включая последствия для снижения выбросов.
Прайс и Маджози [9] представили методику технологической интеграции паровых систем с использованием концептуального и математического анализа при сохранении эффективности котла. Ву и др. В [10] рассматривается многоцелевая модель оптимизации паровых систем с целью оценки и одновременной минимизации энергопотребления, эксплуатационных расходов и воздействия на окружающую среду с помощью метода оценки жизненного цикла.
Конкретный подход к оценке возможностей повышения эффективности реального промышленного консервного предприятия продемонстрирован в статье. Он включает в себя как традиционный, так и усовершенствованный энергетический анализ и экоэнергетико-экономический метод и предоставляет полезную информацию о взаимодействиях между компонентами, раскрывая реальный потенциал для улучшения всей системы и ее компонентов. Признавая важность измерения энергетической эффективности процесса или системы как важного шага на пути к контролю потребления энергии, затрат и выбросов, в работе [13] предлагается структурированная система для более точного измерения энергетической эффективности. Однако, в основном из-за других приоритетов, многие промышленные компании не имеют подходящих методов для комплексного и практичного решения проблем энергоэффективности [14], что является серьезным ограничивающим фактором для повышения эффективности.
Опыт количественной оценки концепции мониторинга процессов показал, что для более точного определения и измерения энергоэффективности требуется адекватная система [2]. Создание системы энергоменеджмента как комплексного способа организованного управления потоками энергии, начиная с процессов производства энергии, заканчивая передачей, распределением и потреблением энергии, является надлежащим подходом к оптимизации и рационализации этих процессов для достижения экономии энергии и финансовых средств и снижения воздействия на окружающую среду. [15].
В целом, существует множество подходов к оценке, используемых для удовлетворения конкретных требований по оптимизации паровой системы. Различные исследования энергетической эффективности промышленных объектов, включающих паровые системы, часто не позволяют выявить сложные физические и функциональные взаимосвязи между сегментами и компонентами всей системы в целом [6]. Недостатком общепринятого инженерного подхода к разбиению системы на компоненты, оптимизации конструкции компонентов и/или их эксплуатации, а также к сборке компонентов в систему является то, что при этом не учитывается взаимодействие между компонентами.
Чтобы преодолеть эти недостатки, в данной работе анализ энергетической эффективности станции рассматривается в более широком контексте путем применения системного подхода, который предполагает понимание взаимодействия между компонентами системы. Несмотря на то, что в профессиональной и научной литературе имеется множество примеров внедрения мер по повышению энергоэффективности в котельных установках и системах конденсации пара, приветствуется любой новый опыт. Это особенно подтверждается вышеупомянутым выводом о том, что не существует двух одинаковых систем конденсации пара. В этом отношении настоящее исследование характеризуется определенными особенностями, как с точки зрения технических характеристик котельных установок, так и со стороны потребителей тепловой энергии и других сегментов всей системы. В данной работе анализ сосредоточен на нескольких вариантах повышения эффективности в рамках сложной парогенерирующей установки.
Основная функция системы парообразования заключается в преобразовании химической энергии, содержащейся в топливе, для получения пара при высоком давлении и температуре. Пар является ключевой рабочей жидкостью в промышленности и других отраслях, поскольку он производится из воды, которая широко доступна и относительно дешева, а также благодаря своим выгодным теплофизическим свойствам, таким как большая удельная теплоемкость, большие коэффициенты теплопередачи, высокая критическая температура и нетоксичность [5]. Таким образом, пар можно рассматривать как наиболее распространенную среду для выработки электроэнергии и передачи тепла. Высокая теплоемкость рабочей жидкости обычно приводит к уменьшению мощности оборудования при заданной выходной мощности или теплопередаче [5-7].
Паровая система — общие соображения
Паровые системы обычно состоят из нескольких подсистем, которые можно разделить на следующие общие категории: генерация, распределение, конечное использование и рекуперация, рис. 1. Разнообразие источников энергии, видов топлива и способов его использования, уровень давления, высокотемпературный характер термодинамических процессов и сложность подсистем делают оптимизацию паровых систем сложной задачей. Паровые котлы (или парогенераторы) представляют собой сложные химические реакторы и теплообменные агрегаты, которые используют тепловую энергию для преобразования воды в пар для различных промышленных и непромышленных применений.
В большинстве паровых котлов используется ископаемое топливо, но отходящее технологическое тепло, электроэнергия, различные виды биомассы и продуктов из биомассы, побочные продукты процесса и другие ресурсы также могут использоваться в качестве источников энергии для выработки пара. Парогенерирующая установка представляет собой секцию, где происходит комплексное преобразование химической энергии топлива в тепло, которое передается в питательную воду котла для получения пара. Она включает в себя котел (ы), систему подготовки и подачи топлива, систему подачи воздуха, систему очистки питательной воды, а также систему очистки и транспортировки продуктов сгорания. Область производства пара очень часто находится в центре внимания усилий по оптимизации использования пара, что является следствием количества и масштабности возможностей повышения эффективности из-за сложности преобразования энергии и других процессов, происходящих там [2, 3]. Из установки для выработки тепла пар направляется в распределительную систему, которая является связующим звеном между парогенератором и конечными потребителями. Часто системы распределения имеют несколько коллекторов, работающих при разном давлении, в зависимости от потребностей конечных пользователей. Обычно каждый из них оснащен аналогично, различными типами клапанов регулирования давления, обратными и предохранительными клапанами, измерительными приборами и т.д.
Эффективная работа распределительной системы обеспечивается надлежащим регулированием давления пара, эффективной и регулярно обслуживаемой изоляцией, а также хорошей системой отвода конденсата. К некоторым потенциальным проблемам, которые могут быть обнаружены в системе распределения пара, относятся более низкое давление пара, чем требуется конечным пользователям, недостаточный расход пара, работа в условиях слишком большой мощности паровой системы, проблемы с качеством пара (например, попадание влажного пара в технологический процесс), возникновение молота во время процесса. стартапы и так далее. Конечная часть паровой системы может быть очень универсальной. Это может включать технологическую термическую обработку/нагрев для различных целей, передачу тепла от пара к воде для пространственного обогрева, непосредственную обработку паром, выработку электроэнергии (паровые турбины), механический привод (насосы, вентиляторы), замедление химических реакций, фракционирование углеводородных компонентов и т.д. Широко распространенное конечное применение пара включает в себя такое оборудование, как различные паровые котлы, различные устройства для термической обработки, турбины, емкости для химических реакций, ректификационные колонны, стрипперы и т.д.
Даже один и тот же базовый технологический процесс и используемое оборудование могут отличаться в разных отраслях промышленности [3]. Хотя эта подсистема часто напрямую связана с определенной конкретной технологией, с точки зрения системного подхода, ею не следует пренебрегать, когда речь заходит о повышении энергоэффективности. Роль системы рекуперации конденсата заключается в сборе и возврате конденсата обратно в котельную. Восприятие конденсата как отработанной низкосортной среды совершенно неверно из-за того, что, по сути, это чистая вода, часто представляющая собой самую чистую форму воды в данной системе. В целом, утилизация конденсата может стать одним из основных направлений оптимизации паровых систем (SSO). Это экономически выгодно по ряду причин [2-4].:
– Температура конденсата обычно намного выше температуры подпиточной воды и, следовательно, он содержит значительное количество полезного тепла.
– Конденсат обычно не нуждается в какой-либо химической обработке.
– Сбор и повторное использование конденсата уменьшает проблему его удаления в канализационную систему, включая необходимость в конечном итоге остывать перед сбросом из-за тепловых ограничений канализации.
– В соответствии с надлежащей инженерной практикой, извлечение конденсата считается хорошим, когда оно превышает 80% [2-4], но это значение может в значительной степени варьироваться в зависимости от конструкции пароконденсатной системы, общего размера и конструкции промышленного предприятия, типа технологических процессов и т.д.
