Пути повышения эффективности промышленной теплоэнергетики

Эффективное использование ископаемого топлива и сокращение затрат на энергоносители для промышленных энергоустановок являются важными аспектами эффективности всего производства. Рассмотрим возможности повышения производительности энергосистем, начиная с парового котла, на примере решений и опыта внедрений компании Honeywell

Задачи, решаемые энергетическим хозяйством промышленного предприятия, включают, с одной стороны, снабжение предприятия топливом, электроэнергией и водой, с другой - эффективное и рациональное производство энергетических ресурсов(пар, тепло, электроэнергия, сжатый воздух и т.д.).

Как правило, пар является основным энергетическим ресурсом предприятия. Количество производимого пара, его себестоимость и качество определяют стоимость других энергоресурсов предприятия и в конечном итоге стоимость готовой продукции.

Как правило, паро- и водоснабжение предприятия не рассматриваются как потенциальный источник прибыли или ресурс для экономии средств, поскольку они составляют от 3 до 11 % себестоимости и воспринимаются как неизбежные затраты. Однако в наше время всеобщего ужесточения конкуренции в области производства и роста цен на энергоносители снабжение производства энергоресурсами отнесено к разряду переменных издержек, которые могут стать значимым источником экономии.

Технические решения по управлению и оптимизации работы топливопотребляющего оборудования промышленных предприятий могут обеспечить экономию энергоресурсов порядка 5-10 %.

Управление работой котла

Основные химические процессы сгорания топлива и физические процессы парообразования достаточно подробно отражены в соответствующей технической литературе и нормативных документах. Исходным условием является сгорание топлива в присутствии воздуха с выделением тепла, которое передается воде и приводит к образованию пара (рис. 1).H_Ris_1

Рис. 1. Процесс преобразования энергии топлива в пар

Техническая задача заключается в том, чтобы добиться максимальной эффективности работы котла при оптимальном расходе пара на технологическое оборудование. Эффективность работы котла - это критерий, определяющий, какая доля тепла, полученного при сжигании топлива, будет использована для получения пара (выраженная в процентах). Эффективность работы котла главным образом зависит от двух эксплуатационных показателей: текущей нагрузки и полноты сгорания топлива. При любой текущей нагрузке существует оптимальный уровень эффективности работы, который достигается в случае полного сгорания топлива при минимальном избытке кислорода (рис. 2).H_Ris_2

Рис. 2. Оптимальный уровень эффективности работы котельного оборудования

Если котел работает недостаточно эффективно,можно разработать техникоэкономические мероприятия для повышения эффективности его работы. Один из самых простых и экономически эффективных путей состоит в модернизации схемы управления соотношением "топливо-воздух", таким образом, чтобы обеспечить минимальное содержание кислорода в уходящих газах при полном сгорании топлива. Соотношение данных между избытком кислорода в уходящих газах и КПД котла (рис. 3) показывает практически линейный характер этой зависимости в нормальном рабочем диапазоне.H_Ris_3

Рис. 3. Типичные показатели эффективности работы котла (КПД, %) для обычных видов топлива в зависимости от избытка воздуха

Это означает, что сокращение избытка кислорода на 1 % сопровождается соответствующим увеличением КПД, а 1 % повышения эффективности работы котла дает примерно такое же снижение расхода средств на приобретение топлива, необходимого для выработки одного и того же количества пара.

Как определить, существует ли экономически обоснованный резерв экономии для определенного котла? Проще всего это можно сделать следующим образом. Во-первых, необходимо определить средний избыток кислорода в уходящих газах при номинальном расходе топлива. Во-вторых, выяснить, чему равны затраты на приобретение топлива в течение года следующим образом:

Потенциальная экономия = Затраты на приобретение топлива за год х (Средний избыток кислорода - Планируемый избыток кислорода),где планируемый избыток кислорода должен быть равен:

  • для газовых котлов - 1 - 1,5 %;
  • для котлов, работающих на мазуте, - 1,5 - 2 %;
  • для котлов, работающих на твердом топливе,- примерно 4 - 5 %.

В том случае, если потенциальная экономия выглядит достаточно заманчиво, необходимо провести исследования для того, чтобы обосновать эти цифры, раз работать техническое решение, которое позволит их достичь и оценить стоимость этого проекта.

Как правило, такое решение влечет за собой модернизацию исполнительных >механизмов, аппаратной части и системы управления путем ввода анализатора кислорода и другого оборудования, необходимого для реализации схемы регулирования (рис. 4).H_Ris_4

Рис. 4. Типичная схема управления процессом горения с оптимизацией соотношения «топливо–воздух»

Затем можно рассчитать показатель прибыли на инвестированный капитал, основываясь на потенциальной экономии и оценке стоимости. Это самый консервативный метод обоснования. Он базируется только на количественной оценке экономии топлива и не учитывает снижение загрязнения окружающей среды (соблюдение нормативных требований) или тепловое напряжение топочного объема (эксплуатационная готовность) в результате сжигания меньшего количества топлива для одной и той же паровой нагрузки.

Не учитываются также и другие преимущества, имеющие сугубо качественный характер, т.е. сокращение количества персонала, обслуживающего современную систему управления, или увеличение паропроизводительности. Однако может возникнуть необходимость оценить именно эти неявные выигрышные стороны проекта для победы в условиях жесткой конкуренции.

Сокращение избытка кислорода - это не единственный доступный источник >экономии. Существенной экономии можно также достичь за счет оптимизации распределения нагрузки между работающими котлами. В типичной системе пароснабжения пар от нескольких котлов поступает в общий коллектор (рис. 5).H_Ris_5

Рис. 5. Работа группы котлов на общий коллектор

У каждого котла свои эксплуатационные характеристики,в зависимости от которых изменяется эффективность его работы при различных нагрузках и видах топлива.Если при совместной работе котлов на общий коллектор учесть эти особенности, то при одинаковой производительности группа котлов будет потреблять меньшее количество топлива с использованием схем оптимизации.

Оптимальное распределение нагрузки

Котлы, работающие на общий коллектор, как правило, разделяются на две группы: работающие в базовом режиме и компенсирующие изменение нагрузки, но обычно нагрузка распределяется между ними поровну и поддерживается максимальной на каждом котле для уменьшения числа работающих агрегатов. Для снижения затрат на приобретение топлива необходимо применить программу автоматизированного управления, которая задает нагрузку котла в реальном времени, основываясь на экономических критериях, также исходя из текущих условий и эксплуатационных ограничений. Экономические соображения учитывают изменения стоимости топлива и нагрузки котла, вид и свойства топлива, а также изменения эффективности работы котлов.

Применение такой прикладной программы экономически обосновано в тех случаях,когда группа котлов длительное время работает в режиме с изменяющейся нагрузкой. Когда само понятие оптимальной нагрузки не является очевидным, т. е. когда группа из двух или более котлов не всегда работает на максимуме или минимуме нагрузки, нагрузку котлов можно изменять в автоматическом режиме.Для определения оптимальной нагрузки котлов их необходимо охарактеризовать, создать эмпирическую модель для ввода соответствующих данных в оптимизирующий процессор. В качестве иллюстрации изложенного обратимся к рис. 6, 7 и 8, на которых мы видим простейший случай:два идентичных котла с обычными неидентичными кривыми КПД в режиме оптимальной нагрузки по сравнению с режимом равномерной нагрузки (стандартный режим эксплуатации).

H_Ris_6

Рис. 6. Зависимость затрат тепла топлива на выработку пара

H_Ris_7

Рис. 7. Распределение нагрузки котловРис. 8. Возможная экономия при оптимальном распределении нагрузкимежду работающими котлами

H_Ris_8

Рис. 8. Возможная экономия при оптимальном распределении нагрузки между работающими котлами

При этом реальная экономия за год зависит от того, как долго группа котлов работает на конкретной нагрузке в течение всего года.

Для того чтобы отслеживать изменения текущих эксплуатационных нагрузок и ограничений, которые постоянно происходят на большинстве промышленных объектов, необходима прикладная программа автоматического регулирования по замкнутому циклу в режиме реального времени.

Такая программа должна контролировать рабочие параметры котла, определять характер его функционирования в плане затрат на выработку пара, а также задавать взаимосвязанный режим нагрузки котлов, не мешая работе задающего регулятора давления в паросборном коллекторе.

Кроме того, эта программа должна определять режим работы котла (стоит или работает, режим базовый или автоматической компенсации нагрузки), изменения вида и состава топлива (включая стоимость), а также аномальные условия эксплуатации, к которым относятся нарушения заданных ограничений, аварийные остановки котлов или выход из строя оборудования.

Технология замкнутого цикла предназначена для выполнения следующих задач:

  1. Регулирование выработки пара котлом в таком режиме, который позволяет добиться максимального снижения общей стоимости при удовлетворении производственных потребностей.
  2. Сведение к минимуму возмущений, воздействующих на задающий регулятор давления в коллекторе.
  3. Сведение к минимуму возмущений, вносимых в функционирование котлов, управляемых в режиме оптимизации по замкнутому циклу.
  4. Недопущение генерации помех, влияющих на работу задающего регулятора давления в коллекторе. Выполнение этих задач гарантирует работу данной прикладной программы в режиме он-лайн, благодаря чему осуществляется управление работой котлов с целью получения максимально возможной экономии в течение всего года.

Приведенная ниже схема (рис. 9) демонстрирует возможный вариант архитектуры на примере прикладной программы экономически целесообразного распределения нагрузки ELA.H_Ris_9

Рис. 9. Архитектура прикладной программы для распределения нагрузки

Типичные результаты успешной реализации программы дают экономию топлива в пределах от 0,5 до 5 % для всех работающих котлов.

Размер экономии также зависит от того, насколько хорошо осуществляется контроль работы котлов и управление ей без прикладной программы, а также от сложности поставленной задачи (количества котлов и частоты изменений нагрузки). Имеется два метода, с помощью которых можно убедиться в достижении нужных результатов:

  1. Вычисление в режиме он-лайн, в ходе которого расчетные расходы топлива на выработку пара при оптимальной нагрузке каждого котла сопоставляются с затратами на топливо при нагрузке котлов без учета рекомендаций по оптимальному распределению нагрузки. Результаты суммируются для получения часовой, суточной и т.п. экономии.
  2. Сравнение затрат на топливо за период до внедрения программы оптимального распределения нагрузки и после него, нормированное с учетом суммарной выработки пара за этот период и экстраполированное для получения значений экономии за любой промежуток времени по выбору.

Расчет прибыли на инвестированный капитал зависит от цен на топливо, общей выработки пара данной группой котлов, количества котлов, работающих в режиме распределения нагрузки, количества различных видов топлива, которые нужно использовать, а также от числа дополнительных цифровых средств управления, которые необходимы для реализации данного решения. Обычно система управления имеется на объекте, поэтому требуется только платформа для модифицированных прикладных программ (иногда можно использовать уже имеющееся оборудование с запасом резервной мощности).

Следуя рекомендациям по останову или пуску котлов, можно добиться еще большей экономии. Этот процесс не поддается автоматизации, поскольку требует вмешательства оператора. В данном случае речь может идти об экономической оценке ситуации с целью определения возможности выигрыша от того или иного приемлемого решения.

Оптимизация может создавать условия экономии, зависящие от останова или пуска котлов, однако при этом эксплуатационный персонал должен учитывать возможную продолжительность текущей ситуации и сопоставлять потенциальную экономию со стоимостью работ по пуску или останову котлов. Кроме того, следует оценить степень риска с учетом возможности роста паровой нагрузки, превышающего операционный резерв при останове котла.

Выработку пара не следует рассматривать в отрыве от остальных процессов. Это часть общей системы снабжения энергоресурсами, интегрированное управление которой может обеспечить гораздо более значимый экономический эффект.

Больше важных статей и новостей в Telegram-канале AW-Therm. Подписывайтесь!



Оставьте комментарий

Telegram