Файл: Конспект лекций для студентов специальности 5В071700 Теплоэнергетика Алматы 2014 алматинский университет.pdf

Некоммерческое
акционерное
общество
Кафедра промышленной теплоэнергетики
СИСТЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Конспект лекций для студентов специальности
5В071700 – Теплоэнергетика
Алматы 2014
АЛМАТИНСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
ЭНЕРГЕТИКИ И CВЯЗИ

2
СОСТАВИТЕЛЬ: Абильдинова С.К. Системы производства и распределения энергоносителей промышленных предприятий. Конспект лекций для студентов специальности 5В071700 – Теплоэнергетика. -
Алматы: АЭУС, 2014. – 102 с.
Конспект лекций составлен в соответствии с учебной рабочей программой данной дисциплины и охватывает особенности производства и применения основных энергоносителей промышленных предприятий: сжатый воздух; органическое топливо; искусственный холод; техническая вода; продукты разделения воздуха. В конспекте лекций приведены основные методы получения указанных энергоносителей, схемы распределения и масштабы потребления в промышленном производстве.
Конспект лекций разработаны для студентов бакалавриата, обучающихся по направлению 5В071700 – Теплоэнергетика.
Илл.-39, табл.-6, библиогр.-12 назв.
Рецензент: доцент Туманов М.Е.
Печатается по основному плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2014 г.
© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2014 г.

3
1 Лекция №1. Энергоносители промышленных предприятий
План лекционного занятия: характеристика энергоносителей.
Структура, обобщенные показатели, характеристики и режимы работы систем производства и распределения энергоносителей промышленных предприятий (СПРЭПП).
Цель лекции: изучение характеристик энергоносителей, ознакомление со структурой систем СПРЭПП.
Введение
Цель изучения дисциплины состоит в освоении принципов, структуры и функционирования систем производства и распределения энергоносителей и отличительных особенностей основных элементов этой системы: станций и установок по производству сжатого воздуха, холода, продуктов разделения воздуха, систем водо- и топливоснабжения, вопросов эксплуатации оборудования на различных промышленных предприятиях.
Актуальность данного курса подтверждается необходимостью эффективного решения задач выбора рациональных схем производства и распределения сжатого воздуха, холода, продуктов разделения воздуха, технической воды. При этом следует большое внимание уделять методикам расчета потребности в энергоносителях, составлению и анализу схем и входящих в их состав оборудования на расчетных и нерасчетных режимах, прогнозирования и совершенствования этих систем и их элементов в связи с необходимостью рационального энергопотребления на промышленном предприятии с учетом максимального использования вторичных энергоресурсов ВЭР. Изучение дисциплины базируется на знаниях, полученных в курсах «Теоретические основы теплотехники» (разделы
«Техническая термодинамика» и «Тепломассообмен»), «Нагнетатели и тепловые двигатели».
1.1 Характеристика энергоносителей
Большинство технологических процессов происходят с использованием энергоносителей различного вида и назначения. Под энергоносителями в промышленности понимают материальное тело или материальную среду, обладающую определенным потенциалом и передающую энергию от одного материального тела к другим. Промышленные предприятия при организации своей деятельности используют энергоресурсы различных параметров, различных видов и различного назначения. Для крупных предприятий говорят о потоках энергоносителей. Направления этих потоков тесно связаны между собой и имеют различные характеристики. На предприятии они объединяются под общим названием «энергоресурсы предприятия». В качестве

4 энергоресурсов на предприятии чаще всего используются:
- органическое топливо;
- искусственный холод;
- сжатый воздух;
- продукты разделения воздуха (ПРВ);
- техническая вода.
Главной задачей энергоносителей на предприятии является обеспечение условий технологического процесса. При выборе энергоносителей и их характеристик руководствуются в первую очередь условием максимальной дешевизны в рамках заданных параметров. При этом в первую очередь обращается внимание на следующие факторы:
- характеристики и условия протекания технологического процесса;
- характеристики и параметры установленного оборудования;
- параметры самого энергоносителя;
- характер обеспечения энергоносителями предприятия (внутреннее иливнешнее).
В качестве основных характеристик энергоносителей при их выборе учитывают:
- потенциал или параметры (температура, давление, расход и др.);
- стоимость;
- качество;
- надежность снабжения;
- режимы потребления в производственных процессах.
Параметры энергоносителя определяются характеристиками потребляющего оборудования. Если на реальном предприятии применяются энергоносители с явно завышенными параметрами, это приводит к увеличению эксплуатационных расходов и денежных затрат на вспомогательное оборудование
(диаметр жил кабеля, увеличение металлоемкости для труб и т.д.). Поэтому окончательный выбор энергоносителя, его качественных и количественных характеристик производится путем сравнения нескольких вариантов в ходе технико- экономических расчетов.
1.2 Структура, обобщенные показатели систем производства и
распределения энергоносителей промышленных предприятий (СПРЭПП)
В XX веке количество энергии, затрачиваемое на единицу промышленной продукции в развитых странах мира, возросло в 10–12 раз.
В связи с этим повышается роль системы производства и распределения энергоносителей предприятий.
Производство и распределение энергоносителей на предприятии сосредоточено в его энергетическом хозяйстве, которое занимается обеспечением бесперебойного функционирования производственного процесса. Энергетическое хозяйство

5 призвано снижать издержки производства и повышать уровень рентабельности промышленного предприятия.
Энергетическое хозяйство промышленного предприятия - это совокупность энергетических установок и вспомогательных устройств.
Энергетическое хозяйство обеспечивает бесперебойное снабжение предприятия различными видами энергии и энергоносителей, таких, как органическое топливо, электрический ток, сжатый воздух, техническая вода и другие.
К основным видам промышленной энергии относятся: тепловая и химическая энергия топлива, тепловая энергия пара и горячей воды, механическая энергия и электроэнергия.
Основными задачами энергетического хозяйстваявляются надежное и бесперебойное обеспечение предприятия всеми видами энергии и энергоносителей установленных параметров при минимальных затратах.
Комплекс агрегатов, аппаратов, арматуры и других элементов, объединенных для производства какого-то определенного энергоносителя и его транспорта до места потребления, образует систему обеспечения производства этим энергоносителем. Например: системы электроснабжения, воздухоснабжения, холодоснабжения, водоснабжения, теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха и др. Число таких систем в энергохозяйстве предприятия может достигать полутора-двух десятков.
Режимы работы систем полностью определяются режимами технологических процессов, т.е. графиками потребления энергий или энергоносителей. Как правило, они подвержены сильным периодическим колебаниям. Поэтому совместная работа систем часто усложнена, особенно если некоторые из них потребляют вторичные энергоресурсы (ВЭР), получаемые на смежных системах.
Например:
холодоснабжение
– основано на абсорбционных холодильных агрегатах, которые обогреваются отработанным паром или отходящими газами технологических установок; система воздушного
отопления – базируется на утилизации теплоты охлаждения компрессорных установок и т.п.
Таким образом, очевидно, что системы энергоснабжения должны обладать большой гибкостью, т.е. обладать широким диапазоном экономичного регулирования как по параметрам энергоносителя, так и по производительности. Отсутствие таких регулирующих устройств приводит к большим экономическим потерям.
Экономический ущерб наносит также неправильная оценка нагрузок источников энергий (энергоносителей), обычно в сторону завышения.
Недоучет при проектировании реальных графиков потребления, например, воздуха - приводит к нерациональному выбору типов и числа компрессоров на компрессорной станции; насосов – на насосной станции; холодильных машин
– на холодильной станции и т.п. И если большую часть времени эти установки

6 работают в нерасчетных режимах, то это приводит к значительным потерям электрической или тепловой энергии.
Любая энергия передается с помощью материального потока энергоносителя. Энергоноситель – это материальный поток, обладающий
эксергией. Производство, доставка и распределение энергоносителей осуществляется в системах производства и распределения энергоносителей.
Понятие «система» происходит от греческого слова systema (целое), составленное из частей, точнее – это множество закономерно связанных друг с другом элементов (предметов, явлений, взглядов, знаний и т.д.).
Система производства и распределения энергоносителей (СПРЭ) – это комплекс связанных между собой трех элементов: генератор, производящий энергоноситель (источник); потребитель энергоносителя и коммуникация, связывающая первые два элемента.
Для удобства анализа и изучения система может быть разделена на подсистемы, которые могут быть названы системами (системы смазки, охлаждения, измерения и т.п.). Совокупность нескольких взаимосвязанных систем может составлять комплекс.
Пример схемы СПРЭ в обобщенном виде представлен на рисунке 1.1.
С – система воздухоснабжения;
С1 и С2 - системы водоснабжения и кислородоснабжения;
С3 – системы энергообеспечения с различными формами энергий Э1,
Э2, Э3 (электроэнергия, пар и др.);
С4 – система реализации конечных продуктов (Пр1, Пр2, Пр3);
I – источник энергоносителей с генераторами (Г1, Г2, Г3);
II – потребитель энергоносителя (П1, П2, П3);
III – коммуникации;
В1, В2, В3 – вспомогательные элементы, расположенные в различных местах коммуникаций, предназначенных для дополнительного изменения свойств энергоносителя (редукторы, осушители, нагреватели и т.п.)

7
Рисунок 1.1 - Схема системы производства и распределения энергоносителей на промышленном предприятии
1.3 Характеристики и режимы работы систем производства и
распределения энергоносителей промышленных предприятий (СПРЭПП)
Значение и задачи энергетического хозяйства заключаются в следующем. Любой технологический процесс требует определенного расхода топлива, электрической и тепловой энергии, поэтому промышленные предприятия являются крупнейшими потребителями различных видов топлива и энергии. В промышленности расходуется примерно половина всего топлива и две трети энергии. В качестве топлива предприятия используют уголь, кокс, мазут, дрова и древесные отходы, природный газ, диоксид углерода (например, для сварочного производства).
С развитием научно-технического прогресса и ростом производства потребление энергии систематически растет. Растет и доля затрат на энергоресурсы. Эта доля в себестоимости продукции доходит до 40–45%.
По характеру использования энергия бывает: технологической, двигательной (силовой), отопительной, осветительной и санитарно- вентиляционной. Для промышленных предприятийнаибольшее значение имеет потребление энергии на двигательные и технологические цели.
В качестве двигательной силы технологического и подъемно- транспортного оборудования используются главным образом электроэнергия, в небольшом количестве пар и сжатый воздух.
Различные виды энергии и энергоносителей применяются на всех стадиях технологии производства изделия. При этом единство и взаимообусловленность технологии и энергетики – наиболее характерная черта большинства производственных процессов промышленного предприятия. В число потребителей электроэнергии необходимо отнести и такие участки производства, как слаботочные средства связи: телефоны, радио, диспетчерская связь.
2 Лекция №2. Современные масштабы и перспективы
производства и потребления энергоносителей
План лекционного занятия: современные масштабы и перспективы производства и потребления энергоносителей: топлива, воды, сжатого воздуха, холода, продуктов разделения воздуха промышленными предприятиями.
Цель лекции: ознакомление с масштабами и перспективами потребления энергоносителей промышленными предприятиями.

8
2.1 Органическое топливо
На территории республики Казахстан добываются все виды органического топлива за исключением торфа и сланца.
Запасы угля в Казахстане составляют 35,8 млрд. т. или 3,6 % мировых запасов, а доля республики Казахстан в общемировой добыче угля составляет
3,7%. Среди стран СНГ Казахстан занимает третье место по запасам и добыче угля и первое место - по добыче угля на душу населения. Наибольший объем добычи угля в республике приходится на Центральный (Караганда) и Северо-
Восточные (Павлодар) регионы - 96,2%. В стране насчитывается около 30-ти каменноугольных бассейнов, уровень годовой добычи угля на которых составляет более 79 млн. тонн. К 2015 году планируется увеличение данного показателя до 120-130 млн. тонн. Основную долю электроэнергии в
Казахстане вырабатывают 37 тепловых электростанций, работающих на углях
Экибастузского, Майкубинского, Тургайского и Карагандинского бассейнов.
Угольная отрасль в настоящее время обеспечивает выработку в Казахстане
78% электроэнергии, практически 100%-ную загрузку коксохимического производства, полностью удовлетворяет потребности в топливе коммунально- бытового сектора и населения. Перспективным месторождением угля является
Экибастузский бассейн в Павлодарской области. Разработка этого угольного месторождения началась в 1954 г. Экибастузский бассейн уникален тем, что мощность угольного пласта достигает 160- 180м, а выгодные горно- геологические условия позволяют добывать уголь открытым способом.
Республика Казахстан располагает доказанными извлекаемыми запасами нефти в размере 4,8 млрд. тонн, что соответствует 3% от общих запасов нефти в мире и входит в десятку ведущих стран по запасам углеводородов.
Казахстан имеет 1,8 трлн.м
3
запаса природного газа и занимает пятнадцатое место в мире и четвертое место среди стран СНГ по разведанным запасам природного газа. Свыше 95% балансовых запасов природного газа сосредоточены в 142 месторождениях. Они расположены на территории
Атырауской, Актюбинской, Западно-Казахстанской и Мангыстауской областей. Запасы свободного и попутного газа обнаружены также на территории Кызылординской (месторождения Кумколь, Акшабулак),
Жамбылской
(месторождение
Амангельды) и
Южно-Казахстанской
(месторождение Придорожное) областей.
Самые крупные подтвержденные запасы газа находятся в нефтегазоконденсатном месторождении Карачаганак.
Доля природного газа в топливном балансе первичных энергоносителей нашей республики остается достаточно низкой - 11%.
В Казахстане отсутствует сеть развитых магистральных газопроводов в центральном (Акмолинская и Карагандинская области), северном
(Павлодарская и Северо-Казахстанская области) и восточном (Восточно-
Казахстанская область) регионах. К тому же в этих регионах используется

9 уголь и электроэнергетические ресурсы. Использование собственного природного газа сдерживается рядом факторов, основными из которых являются недостаточные мощности переработки, недостаточная разветвленность сети магистральных газопроводов и локальных газораспределительных сетей, что в совокупности препятствует широкому использованию природного газа потребителями Казахстана. Сжиженный газ традиционно используется на коммунально-бытовые и промышленные нужды, а также в качестве моторного топлива для автотранспорта.
2.2 Техническая вода
Основой водных ресурсов Республики Казахстан является речной сток, составляющий в средний по водности год более 100 км
3
(101,9 км
3
), величина которого на 57% (58,4 км
3
) процентов формируется на территории республики, остальной объем поступает из сопредельных территорий (Китай,
Узбекистан, Кыргызстан, Россия). В связи с климатическими особенностями до 90% стока проходит в период весеннего паводка. Располагаемые к использованию ресурсы поверхностных вод оцениваются в объеме 46 км
3
Республика Казахстан располагает значительными запасами подземных вод, прогнозные эксплуатационные ресурсы которых оцениваются величиной в 41,6 км
3
в год. Основу водных ресурсов нашей республики составляют также озера, водохранилища, ледники, атмосферные осадки. Запасы объемов пресной воды, выраженные в км
3
приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1
Источник воды
Запасы пресной воды, км³
Озёра
190
Водохранилища
95
Сток рек
101
Подземные воды
95
Ледники
58
Всего
539
Техническая вода является одним из наиболее распространенных видов энергоносителей. Техническая вода используется в технологических процессах и в хозяйственно-бытовых целях практически на всех предприятиях. Расходы технической воды на производственные нужды сильно колеблются в зависимости от назначения и мощности предприятия, а также характера технологически процессов. Например, для производства 1т чугуна расходуется 1200÷1600 м
3
/час воды, 1т меди 760÷800 м
3
/час, а для производства редкоземельных металлов – 2000÷2500 м
3
/час.

10
Определение необходимого количества воды для производства всецело зависят от характера технологического процесса. Вода используется в производстве для весьма разнообразных целей. В качестве основных категорий производственного водопотребления могут быть названы: использование воды для охлаждения, для промывки, замочки, увлажнения, для парообразования, для гидротранспорта, в составе производимой продукции и другие.
Использование воды для охлаждения имеет самые превосходящие масштабы, чем все остальные виды потребления воды, причем удельный вес этой категории в общем объеме производственного водоснабжения продолжает расти. К этой категории относятся расходование воды для конденсации пара, отходящего от паровых турбин электростанций, и использование воды для охлаждения различных печей, машин и аппаратуры
(металлургическая, нефтеперерабатывающая, химическая промышленность и др.). Вода для промывки, замочки расходуется в больших количествах на нужды бумажной, целлюлозной, шерстеобрабатывающей, текстильной промышленности, промышленности искусственного волокна и другие.
Расходование воды на гидротранспорт различных материалов имеет место в самых разнообразных отраслях промышленности (в том числе шлакоудаление на теплосиловых станциях, транспортирование шлака в доменных цехах, отходов обогатительных фабрик и т. д.).
Требуемые для производственных целей количества воды определяются в результате технологических расчетов. Расходы воды зависят от принятой схемы технологического процесса, типа используемого оборудования.