книги / Справочное пособие по теплотехнологическому оборудованию промышленных предприятий

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современное производство неразрывно связано с процессом потребления энергии и топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). Для нормального функционирования производства должна использовать­ ся электроэнергия (освещение, контроль и автоматика, процессы управления производством, осуществление технологических процес­ сов и т. д.). Тепловая энергия широко применяется для осуществле­ ния технологических процессов, включающих обработку металла (закалка, отжиг) и подготовку его перед деформацией (ковка, штам­ повка, волочение). Тепловая энергия необходима производству для нужд отопления и вентиляции, подготовки сырья.

Доля энергии, используемой в промышленности, довольно вели­ ка (до 70 %). Металлургия и химическая промышленность отли­ чаются наибольшим потреблением энергии. В несколько особом по­ ложении находится энергетика, производящая транспортируемую электрическую энергию, а также тепловую энергию, которая может быть передана в виде пара или горячей воды на некоторое рас­ стояние.

Согласно первому закону термодинамики, энергия может быть получена только из ее естественных источников. Она не создается и не уничтожается, а переходит из одной формы в другую. В преде­ лах одной формы энергия может быть переведена с одного потен­ циального уровня на другой, например электрическая энергия — с низкого напряжения на более высокое, тепловая энергия — с высо­ кого температурного уровня на более низкий. Для покрытия всех видов потребления энергии должны использоваться естественные

.источники.

К наиболее важным в настоящее время источникам энергии сле­ дует отнести химическую энергию топлива — жидкого, твердого и газообразного. Использование энергии этого источника включает добычу топлива, его транспортировку к месту потребления (как пра­ вило, место потребления топлива совпадает с местом его сжигания). В результате сжигания топлива образуются горячие дымовые газы, которые могут непосредственно применяться в технологических про­

3

ется электрическая. Она сравнительно просто и высокоэффективно переходит в другие виды энергии (тепловую, механическую и т. д.), легко дробится на небольшие потоки, легко трансформируется с одного уровня напряжения на другой и может быть передана на

значительные расстояния при небольших потерях.

Высокие качества электроэнергии позволяют решить в принципе все вопросы энергоснабжения современного производства. В этом случае топливо используется производством только в качестве сырья для получения конечной продукции. При таком варианте тепло для восокотемпературных и низкотемпературных процессов получается за счет электроэнергии. Для этого варианта энергоснабжения нужен один вид энергии — электрическая энергия, которая обеспечивает точность регулирования процессов, простоту их автоматизации и на­ дежность поддержания режима. Таким образом, намечается образ

виды энергии, необходимые на различных стадиях технологического процесса. Конечным результатом является один или несколько видов готовых изделий.

Принципиально возможен другой экстремальный в энергетичес­ ком смысле вариант, когда в производство поступает только сырье и никакие виды энергии в чистом виде извне в процесс производства не включаются. Между этими двумя крайними вариантами энерго­ обеспечения производства существует множество промежуточных, когда в производство вводятся сырье, различные виды энергии, топ­ ливо как сырье и для получения энергии внутри производства, а ко­ нечным результатом производства являются готовые изделия.

В этом смысле весьма наглядна энерготехнологическая установ­ ка для регенерации щелоков целлюлозно-бумажного производства. В этих установках в котел поступает щелок для регенерации и неко­ торое количество органического топлива. Технологический цикл пре­ дусматривает получение конечного продукта и водяного пара энер­ гетических параметров. Также можно сослаться на энерготехноло­ гию в цветной и черной металлургии, химическом производстве и др.

Следовательно, задача энергообеспечения любого производства оказывается многовариантной и при одинаковой конечной продук­ ции требует различных затрат энергии, топлива, сырья. Это означает, что первостепенное значение приобретает оптимизация энергоснаб­ жения производства, т. е. задача в решающей степени технико-эко­ номическая.

Важнейшим фактором, определяющим мощность (годовую про­ изводительность) предприятий, является охрана окружающей среды. В пособии уделено определенное внимание этой проблеме — рас­ смотрены возможные технические решения, которые уменьшают или вообще предотвращают загрязнение окружающей среды при неко­ торых технологических процессах.

Авторы пособия считают необходимым подчеркнуть, что пра­ вильное решение вопросов энергоснабжения в значительной мере

5

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИИ

1.1.Стадии проектирования

1.1.1.Общие сведения

При разработке проектного задания требуется тщательное экономическое обоснование рассматриваемых технических решений. Несмотря на большое разно­

эффективности капитальных вложений [106]. При выборе технического решения должны сопоставляться варианты, обеспечивающие максимальное вовлечение в топливно-энергетический баланс предприятия всех видов вторичных энергоре­ сурсов (ВЭР), использование двухцелевых и безотходных технологий. Особого внимания заслуживают решения, обеспечивающие максимальное вовлечение в производственный цикл технологических и энергетических выбросов, загрязняю­ щих воздушную среду.

Различают три стадии проектирования: 1) проектное задание; 2) техниче­ ский проект; 3) рабочий проект. Опираясь на большой опыт проектирования промышленных объектов, достаточное количество проектной и технической доку­ ментации в виде готовых типовых проектов отдельных элементов промышленно­ го объекта и справочной литературы, практически все проектные организации пе­ решли на двухстадийное проектирование, когда сразу же после разработки и утверждения проектного задания приступают к рабочему проектированию, минуя стадию технического проекта. Такая система проектирования полностью себя оправдала, так как благодаря ей сокращаются сроки проектирования и снижа­ ется его стоимость.

Проектное задание оформляется в виде пояснительной записки, в которую входят основные технико-экономические характеристики предлагаемого вариан­ та инженерного решения н подкрепляющие эти характеристики расчетные ма­ териалы. Графическая часть проектного задания включает небольшое количество планировочных чертежей или ситуационных планов с расстановкой основного оборудования и его привязкой к строительной части. В проектном задании заказчику может быть предложено несколько вариантов инженерных решений, однако каждый из вариантов должен содержать конкретные решения строитель­ ной части промышленного объекта и планировочные решения с определением числа и типажа основного оборудования.

На стадии проектного задания определяется общая (абсолютная) экономи­ ческая эффективность, а также сравнительная эффективность, показывающая, насколько один вариант эффективнее другого. Решение о предпочтительности то­ го или иного варианта принимается заказчиком после сопоставления предлагае­ мых вариантов.

Проектное задание является важной стадией проектирования промышленно­ го объекта, так как именно здесь решаются все принципиальные вопросы, каса­ ющиеся выбора технологии, энерго- и топливоснабжения, окупаемости сооруже­ ния, защиты окружающей среды.

К выполнению проекта на стадии технического проектирования приступают после утверждения заказчиком проектного задания. На этой стадии в соответ­ ствии с принятыми решениями выполняются агрегатные (компоновочные) разра­ ботки основного и вспомогательного оборудования, по возможности использу­ ются готовые типовые проекты этого оборудования (типовые разработки). Здесь принимаются также дополнительные решения по выбору вспомогательного обо­ рудования.

7

Графическая часть технического проекта представляется компоновочными чертежами с обязательным выделением на них строительной части и сборочными чертежами основного и вспомогательного оборудования (общие виды). При этом расчетно-пояснительная записка, как правило, остается на стадии проектного задания.

Техническое проектирование позволяет подготовить определенный фронт работ для изготовления остальных чертежей основного и вспомогательного оборудо­ вания, строительной, электротехнической, санитарно-технической и других частей проекта. Технический проект в отличие от проектного задания включает эконо­ мическую, технологическую, строительную, электротехническую, санитарно-техни­

ческую и другие части.

Рабочий проект включает расчетно-пояснительную записку и графическую часть. Каждая из частей записки содержит сведения расчетного характера, ка­ сающиеся рассматриваемого вопроса, ссылки на нормативные и справочные ма­ териалы, указания соответствующих министерств и ведомств, постановления Пра­ вительства. Графическая часть рабочего проекта включает весь объем чертежей, необходимых для строительства и монтажа предприятия. Стадия рабочего про­ екта является заключительным этапом проектирования.

1.1.2. Условия сопоставимости сравниваемых вариантов проектного задания

Решение о предпочтительности того или иного варианта принимается только после сопоставления сравниваемых вариантов. Основными элементами сопоста­ вимости являются: объем и качество продукции, надежность функционирования рассматриваемого объекта, санитарно-гигиенические условия и безопасность труда, загрязнение окружающей среды. Если вариант не удовлетворяет хотя бы одно­ му из этих элементов сопоставимости, то он не должен рассматриваться. Необ­ ходимо учитывать дополнительные затраты на приведение конкурирующих вари­ антов проектного задания к сопоставимому виду или народнохозяйственный ущерб, если такое приведение не удается осуществить.

Сопоставление по условию надежности функционирования объекта (тепло­ технической установки) выполняется в соответствии с видом технологического процесса, системой энергоснабжения (ГРЭС или ТЭЦ и т. п.), видом использу­ ющихся энергоносителей. Поэтому, как правило, надежность сравниваемых ва­ риантов оказывается разной.

Показателем для сравнения по условию надежности является минимум при­ веденных затрат 3min [56]. Приведенные затраты i вариантов:

3 ,= £ # ,+ # ,+£Д/С,+Д#1;

32—ЕК,2-\-И2+ ЕАК2+ ДЯ2;

3i=EKi+M i+ЕАКг+АИи

где Е, К, Я — соответственно нормативный коэффициент эффективности капи­ таловложений, капитальные затраты в сравниваемом варианте (сметная стои­ мость строящегося объекта) и текущие затраты себестоимости; АК, АИ — до­ полнительные капитальные затраты, необходимые для доведения надежности функционирования рассматриваемого варианта до сопоставимого уровня, и до­ полнительные текущие затраты для этих целей.

Из числа i сопоставляемых вариантов выбирается вариант, отвечающий усло­ вию 3min.

В ряде случаев надежность функционирования рассматриваемых вариантов не удается довести до сопоставимого уровня, тогда приходится учитывать ущерб

У, обусловленный неодинаковыми условиями надежности. Приведенные затраты могут быть найдены по формулам [56]:

3 ,= £ Я , + Я,-|-У,;

з 2=е к 2+ и 2+ у2-3

3 {=EKi+ Hi + y t.

8

Проблема предупреждения загрязнения среды промышленными выбросами (или сокращения их) должна решаться путем минимизации образования вредных компонентов внутри технологического процесса производства, а также макси­ мального их улавливания. Поэтому разработка технологии должна удовлетво­ рять следующим принципам: полноценного, экономически эффективного исполь­ зования всех составляющих технологического сырья (в том числе материальных и энергетических отходов); высокой степени использования тепла топлива (энер­ гетического и технологического), физического тепла продуктов сгорания и энер­ гоносителей; создания максимально благоприятных условий комбинирования технологических и энергетических процессов; эиерготехиологическое комбиниро­ вание должно строиться на базе безотходной (малоотходной) технологии произ­ водства, уменьшающей до допустимых величин вредные выбросы в окружающую среду.

Вопрос о выборе энергоносителей или процесса производства (огнетехниче­ ского оборудования) необходимо решать с учетом выбросов.

Учет уровня загрязнений окружающей среды является одним из наиболее важных условий сопоставимости рассматриваемых вариантов проектного зада­ ния. В настоящее время существует две формы учета ущерба, связанного с оценкой вариантов: 1) плата за загрязнение среды [59) (30—50 руб. за 1 т обез­ личенных вредных выбросов в атмосферу; 0,02 руб. за 1 м3 сброса условно­ чистых стоков и 0,1 руб. за 1 м3 неочищенных стоков); 2) учет затрат на очи­ стные сооружения, доводящие вредные выбросы до величины предельно допу­ стимых концентраций (ПДК). В этом случае можно записать:

= EKi + Их + E'Z Affi + 2 A#i; 3« = EK2-f Ио-f £ S AK« + 2 ДИo',

3t = EKi + Щ + E 2 ДК* + 2 A^i,

где 2 ДК; — дополнительные капитальные вложения, необходимые для доведения вредных выбросов до ПДК; 2 ДЯi — дополнительные текущие издержки для этих

же целей. Величины 2 ДKi и 2 A #i могут быть определены после оценки коли­ чества вредных выбросов, связанных с рассматриваемыми вариантами.

Все мероприятия по проектированию выполняются на стадии проектного задания. Дополнительная разработка принятого варианта осуществляется в про­ цессе рабочего проектирования.

1.2.Исходные данные для проектирования

1.2.1.Общие сведения

Число и характер исходных данных на разных стадиях проектирования ме­ няются. В качестве исходных данных при разработке варианта на стадии про­ ектного задания могут служить годовой выпуск промышленной продукции и ха­ рактер производства (единичное, мелкосерийное, серийное, крупносерийное, мас­ совое). В соответствии с видом производства и особенностями оборудования устанавливается фактический фонд рабочего времени, задается вид топлива и энергоносителей, на основании этих данных производится выбор типа теплотехно­ логического оборудования (с внутренним, внешним или комбинированным теплоиспользованием), его единичной производительности, числа технологических ли­ ний, способов очистки технологических выбросов.

Исходные данные на стадиях технического и рабочего проектирования долж­ ны содержать полные сведения о сооружаемом объекте, и в принятых решениях в зависимости от характера расчета (тепловой конструкторский или тепловой поверочный) определяются лишь немногие недостающие величины (поверхность нагрева, температура теплоносителей). К исходным данным относятся: характе­ ристики топлива; вид и параметры энергоносителей; единичная производитель­ ность установки; операция тепловой обработки в рабочей камере; температура операции тепловой обработки; характеристики нагреваемого изделия (размеры,

9

начальная температура и др.); режим нагрева; тип устройств для сжигания орга­ нического топлива; характеристики технологических и энергетических отходов с указанием характера их воздействия на окружающую среду; тип и характеристи­ ка устройств для утилизации тепла технологических и энергетических отходов.

1.2.2.Выбор энергоносителя

Выбор рациональных, экономически оправданных энергоносителей играет первостепенную роль при организации рационального топливоиспользования.

Выбор энергоносителя определяется в первую очередь технологическими условиями и технико-экономическими показателями технологических процессов производства продукции и условиями энергоснабжения. При этом нужно выде­ лить: 1) процессы, для которых вид энергоносителя (топлива) однозначно опре­ деляется требованиями технологии; 2) процессы, для которых условия производ­ ства допускают использование различных энергоносителей.

Выбор рационального энергоносителя (энергоносителей) необходимо произ­ водить только для процессов второй группы, при этом должны рассматриваться все возможные варианты, включая энерготехнологическое комбинирование.

Выбор энергоносителя осуществляется на основе комплексного анализа: тре­ бований в отношении технологии данного процесса производства, санитарно-ги­ гиенических норм и охраны окружающей среды; капиталовложений в сооружае­ мое предприятие, эксплуатационных издержек, численности обслуживающего персонала и др.; изменения качества и количества выпускаемой продукции, по­ требляемого сырья и материалов, а также выхода побочных продуктов, которые

и пр.); фактора времени (согласование вариантов проекта н строительство пред­ приятия).

К наиболее важным факторам, определяющим выбор энергоносителя, следует отнести изменение качества (сортность, долговечность, прочность, декоративный вид и пр.), производительность агрегатов, расход сырья и материалов, трудоза­ траты, процент выхода годной продукции, надежность энергоснабжения, загряз­ нение окружающей среды. При этом влияние на эти факторы вида используемого топлива может оказаться столь подавляющим, что его стоимость отодвигается на второй план, уступая место перечисленным показателям, характеризующим изменение технологии, экономики и эффективности процесса.

Выбор рационального для данного производства энергоносителя должен га­ рантировать минимум приведенных затрат в установки, обеспечивающие прове­ дение технологического процесса с учетом эффекта от использования регенера­ ции и ВЭР, а также затрат на соблюдение требуемых санитарно-гигиенических норм и охрану окружающей среды.

Приведенные затраты по сравниваемым вариантам подсчитываются по вы­ ражению

3 = ЕКи + # п + ЬПЗЭ— S

и строительство производственных помещений, а также установок, обеспечиваю­ щих требуемые санитарно-гигиенические условия труда и защиту окружающей среды; затраты на создание оборотных фондов — запасы сырья, материалов и по­ луфабрикатов и резервного топлива.

• Составляющая Ь П30 должна оцениваться по приведенным затратам на энергоноситель, которые состоят из замыкающих затрат (затраты на получение,

10