Элементы энергетической системы и ее характеристики

Классификация энергетических систем

Литература.

Раздел 5. Системы топливоснабжения промышленных

Цикл Линде 132

24.2. Цикл Линде с дополнительным охлаждением сжатого

воздуха 136

Тема 25. Цикл Клода (среднего давления, Р=2-4 МПа) 138

Тема 26. Цикл высокого давления с расширением воздуха в

поршневом детандере (цикл Клода-Гейландта) 145

Тема 27. Цикл низкого давления (0,5-0,7 МПа) с расширением

воздуха в турбодетандере (цикл Капицы) 146

Тема 28. Технические процессы разделения воздуха (резерв) 149

Тема 29. Разделение воздуха методом низкотемпературной

ректификации 153

29.1. Однократная ректификация 155

29.2. Двукратная ректификация 157

Тема 30. Схемы и конструкции кислородных установок 161

30.1. Установки высокого давления 161

30.2. Установки среднего давления 162

30.3. Установки низкого давления 167

Тема 31. Производство инертных газов 169

Тема 32. Организация производства кислорода и азота 174

32.1. Трубопроводы 174

32.2. Станции производства продуктов разделения воздуха

металлургического предприятия 175

32.3. Производственные опасности и техника безопасности на

станциях разделения воздуха 177

предприятий 180

Тема 33. Твердое топливо 182

33.1.Транспортные средства 184

33.2. Топливные склады 185

33.3. Дробление 186

33.4. Пылеприготовление 188

Тема 34. Газообразное топливо 191

34.1. Газоснабжение промышленных предприятий 193

34.1.1. Газопроводы 193

34.1.2. Установки системы распределения газов 196

Тема 35. Жидкое топливо 200

1 НАЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

Уровень производительных сил общества в существенной степени зависит от уровня производства и потребления энергии. Это действительно так, и мы часто определяем уровень развития общества такими показателями как энерговооруженность производства – количеством энергии, приходящимся на одного работника, и потреблением энергии на душу населения.

Энергетика – большая и сложная отрасль техники, имеющая своей задачей снабжение энергией промышленности, сельского хозяйства, транспорта и быта.

Пригодные для экономически целесообразного использования виды энергии имеются далеко не везде. Это, прежде всего, органическое топливо, запасы которого сконцентрированы в угольных бассейнах, нефтяных и газовых месторождениях, ядерное топливо. Потребляется же энергия повсюду. Поэтому давно уже возникла одна из сложных задач техники – транспорт энергии.

Существуют формы энергии, которые нецелесообразно транспортировать. Это, например, энергия ветра и воды. Причина затруднений с транспортом этих форм энергии связана с их низкой энергоемкостью, поэтому их энергию удобнее на месте превращать в другой вид энергии, более пригодный для транспорта. Другое дело – топливо. Особенно эффективным видом транспорта энергии в виде ее носителятоплива, является транспорт по трубам – нефтепроводам и газопроводам.

Деятельность энергетиков не исчерпывается производством и передачей энергии. Необходимо еще распределить энергию между потребителями, а распределение энергии часто требует ее преобразования из одной формы в другую.

Эта цепь преобразований может быть весьма сложной. Например, на тепловую электростанцию по мазутопроводу подается мазут (1-е звено). В топках котлов этой станции мазут сгорает, превращая воду в пар (2-е звено). Энергия пара превращается в механическую энергию вращения вала турбины (3-е звено). Энергия вала турбины передается электрогенератору (4-е звено). В электрогенераторе механическая энергия превращается в электрическую (5-е звено). Новый носитель энергии – электрический ток – поступает в повышающий трансформатор (6-е звено). Ток высокого напряжения идет по проводам к потре6ителю (7-е звено), где понижающий трансформатор уменьшает напряжение тока (8-е звено). Ток поступает в электродвигатель, где электрическая энергия преобразуется в механическую (9-е звено), передаваемую компрессору, преобразующему ее в потенциальную энергию сжатого воздуха (10-е звено). Расширяясь, воздух двигает боек пневмомолотка (11-е звено).

Как вы понимаете, при таком обилии преобразований очень большое значение имеет коэффициент полезного действия, по сути дела - показатель успешности и полноты использования законов природы. КПД современных парогенераторов, гидравлических турбин, электрогенераторов, паровых и газовых турбин, трансформаторов, составляет более 90%.

Чтобы закончить с общими вопросами производства и распределения энергии, рассмотрим рис.1.1., на котором схематично представлен мировой энергетический баланс.

Рисунок дает представление о том, как хозяйствует человек на Земле - к сожалению, 2/3 энергии, с таким трудом вырванной у природы, не используется.

Как увязать столь большие потери с совершенством энергетических машин, о которых мы только что говорили, отмечая их высокий КПД? Очень просто. Баланс составлен по всему миру, в котором, помимо эффективных агрегатов, существуют миллионы весьма неэффективных отопительных и варочных печей. Современные технологические теплопотребители – доменные и мартеновские печи, конверторы, сушила и т.д. – также выбрасывают на ветер большое количество теплоты. Таким образом, основная часть потерь – тепловые потери.

Из полезно использованных 35% энергии 18% тепловой энергии используется в промышленности, 10% в быту. Преобразованная в работу часть энергии, составляющая 7%, распределяется так:1,5% в сельском хозяйстве, 2,5% - в транспорте, 2% - в промышленности, 1% - в коммунальном хозяйстве.

Энергия солнца, ветра, тепла Земли и т.д. в балансе не показаны из-за малости величины. Био – энергия человека и животных.

Основной перспективой развития энергетического баланса мира является снижение потерь энергии, увеличение доли возобновляемых источников энергии.

Металлургия – одна из наиболее энергоемких отраслей народного хозяйства, потребляющая около 15% топлива и электроэнергии от общего объема потребления Украиной этих энергоносителей.

Кроме топлива и электроэнергии, металлургические предприятия используют еще ряд энергоносителей: сжатый воздух, кислород, техническую воду, теплоту в виде пара и горячей воды.

Топливо – основной первичный источник энергии. Около 35% используемого топлива поступает со стороны (природный газ, мазут, энергетический уголь), 65% производится на заводах отрасли (кокс, коксовый, доменный, конвертерный, ферросплавный газы, промпродукт углеобогащения и т.д.). Так как на металлургическом заводе основное топливо газообразное, то, учитывая его разнообразие, важно распределить топливо по потребителям таким образом, чтобы были обеспечены наилучшие условия работы тепловых агрегатов.

Сжатый воздух необходим в качестве дутья для доменных печей и для различных технологических нужд, кислород широко применяется для интенсификации металлургических процессов, вода необходима для охлаждения металлургических агрегатов, выработки пара, очистки газов и т.д.

Цель настоящего курса состоит в изучении общих принципов, структуры и функционирования систем производства и распределения энергоносителей и отличительных особенностей их основных элементов: станций и установок по производству сжатого воздуха, холода, продуктов разделения воздуха, систем водо- и топливоснабжения. Студенты должны приобрести навыки в выборе рациональных схем производства и потребления энергоносителей, умение рассчитывать потребность в энергоносителях, прогнозировать совершенствование систем и их элементов в связи с необходимостью рационального энергопотребления на промышленном предприятии с учетом максимального использования ВЭР.

Курс состоит из 5 самостоятельных разделов:

1. Системы производственного водоснабжения.

2. Системы производства и распределения искусственного холода.

3. Системы производства и распределения сжатого воздуха.

4. Системы и установки обеспечения предприятий продуктами

разделения воздуха.

5. Системы топливоснабжения предприятий.

Изучение этих разделов предполагает использование знаний и умений, полученных студентами при освоении курсов «Техническая термодинамика», «Тепломассообмен», «Газогидродинамика», «Нагнетатели и тепловые двигатели», «Топливо и теория горения».

Знания, полученные в курсе, используются при изучении ряда специальных дисциплин, выполнении курсовых и дипломных проектов.

ТЕМА 2. СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЯМИ

1. Маркович И.М. Режимы энергетических систем. –М.: Энергия, 1960. –351с.

Работа всех отраслей промышленности связана с использованием различных видов энергии, поступающей к потребителям по различным сетям.

Так, электрическая энергия, вырабатываемая на электрических станциях, передается по электрическим сетям; теплота, вырабатываемая на ТЭЦ, передается по тепловым сетям к потребителям тепла, использующим его непосредственно или преобразующим его в энергию другого вида. Газ, поступающий по трубопроводам, в свою очередь, может быть использован как топливо или сырье для химической промышленности.

Совокупность звеньев общей цепи производства, преобразования, распределения и использования всех видов энергии называется энергетической системой.

Энергетическая система состоит не только из котлов, турбин, генераторов, линий передачи электрической и тепловой энергии, трансформаторов, но и из электродвигателей, осветительных и нагревательных приборов, станков, насосов, вентиляторов и т.д.

Комплексы энергетических устройств, которые служат для передачи и распределения энергии, называют энергетическими сетями.

Установки, в которых подводимая энергия преобразуется в какой либо другой вид энергии, называются приемниками энергии.

Таким образом, в энергетической системе имеются элементы 2-х видов:

- передающие, назначение которых – передача энергии на расстояние;

- преобразующие, в которых энергия преобразуется из одного вида в другой.

К числу передающих элементов относятся: воздушные и кабельные линии электропередач, трубопроводы, устройства топливоподачи и т.д. В состав передающих элементов входят также элементы, позволяющие осуществлять регулирование или прекращать передачу энергии: выключатели, вентили, задвижки.

К числу преобразующих элементов относятся: котлы, паровые турбины, гидротурбины, генераторы, трансформаторы, машины-орудия, осветительные и бытовые электроприборы и т.д.

Таким образом, в энергетической системе происходит последовательное преобразование энергии в одних элементах и передача ее через другие.

Энергетические системы различают:

- по виду используемых энергетических ресурсов;

- по виду производимой энергии;

- по составу потребителей энергии;

- по взаимному географическому расположению источников энергетических ресурсов и потребителей энергии.

Внутри каждой из указанных областей возможна и более детальная классификация, например:

- по виду топлива для ТЭЦ;

- по имеющимся возможностям каскадного использования воды в системе оборотного водоснабжения и т.д.

Вид производимой энергии определяет развитие того или иного вида энергетических сетей для передачи и распределения энергии (электрические сети, тепловые сети, газовые сети, сети водоснабжения и т.д.).

Состав потребителей энергии определяет не только графики нагрузки, но и характеристики нагрузки. Эти показатели имеют важное значение в вопросах обеспечения надежности энергоснабжения и регулирования качества энергоносителя.

По характеру взаимного географического расположения источников энергоносителей и потребителей энергии энергетические системы можно разделить на:

- концентрированные, характеризуемые отсутствием дальних передач энергии вследствие относительной близости источников энергоносителей и потребителей энергии;

- протяженные, характеризуемые наличием дальних передач энергии и сильно развитых сетей в связи с удаленностью источников энергоресурсов и располагаемых вблизи них преобразующих элементов от центров потребителей энергии и необходимостью передачи энергии по сетям большой протяженности.

Так как энергетическая система состоит из отдельных элементов, то свойства энергетической системы как единого целого определяются свойствами или характеристиками отдельных ее элементов. В свою очередь, и свойства отдельных элементов системы зависят от свойств всей системы в целом.

Энергетическая система, как более сложный объект, обладает более общими свойствами, связанными не только с характеристиками отдельных элементов, но и с их сочетанием.

Структура энергосистемы характеризуется соединением в общую сеть всех преобразующих и передающих элементов энергосистемы, ветвями которой они являются. В этой сети имеются так называемые узловые точки, к которым присоединены отдельные ветви энергосистемы. Например, такими узловыми точками являются: коллектор сжатого воздуха для доменного дутья, коллектор технической воды в системе водоснабжения.

Одной из важнейших характеристик каждого элемента системы является совокупность его номинальных данных:

1. Нагрузочная и перегрузочная способность, т.е. мощность которую данный элемент может преобразовать или передать без ущерба для его надежности.

2. Номинальные значения параметров подводимой, преобразуемой или передаваемой энергии (например, параметры воздуха, используемого в качестве дутья для доменных печей, параметры технической воды на охлаждение, на очистку газов и т.д.), а также допустимые отклонения этих параметров от номинальных значений.

Основной характеристикой элемента, преобразующего энергию, является его номинальная мощность на выходе или производительность.

Для элемента, передающего энергию (воздухопровод, водовод), обычно задается наибольшая пропускная способность у одного из его концов.

Поддержание правильных показателей подводимой, преобразуемой или передаваемой энергии, а также ограничение величины нагрузки элемента пределами допустимой мощности или пропускной способности обеспечивают надежную работу элемента.

При оценке элемента энергосистемы важную роль играют энергетические характеристики.

Преобразование и передача энергии в любом элементе энергетической системы связаны с некоторыми технологическими потерями энергии в элементе, а также с расходом энергии на работу вспомогательных устройств. Эти потери характеризуются рядом различных по форме энергетических характеристик элемента, которые могут быть выражены одна через другую.

Введем следующие обозначения:

Р₁ – мощность, подведенная к элементу, или мощность на входе;

Р₂ – мощность, преобразованная или переданная элементом, или мощность на выходе;

- потери мощности в процессе преобразования или передачи энергии (в том числе, затраты мощности на работу вспомогательных устройств);

η - КПД элемента, равный отношению мощности на выходе к мощности на входе.

δ - удельный расход преобразуемой мощности, равный отношению мощности на входе к мощности на выходе.

Основной энергетической характеристикой элемента является расходная характеристика:

Р₁ = f₁ (P₂)

Если в данном элементе энергия преобразуется, то мощности Р₁ и Р₂ во многих случаях выражаются в различных единицах измерения.

Иногда в расходную характеристику входят не величины мощности, а, соответственно, расход и производительность физических носителей энергии. Так, например, расходная характеристика парового котла выражается зависимостью часового расхода условного топлива (в тоннах условного топлива) от часовой производительности (в тоннах пара в час). Такая расходная характеристика имеет смысл лишь в том случае, если фиксировано теплосодержание пара, так как только при этих условиях часовая паропроизводительность может быть соотнесена с часовой производительностью по теплоте.

Другими энергетическими характеристиками элемента являются:

- характеристика потерь мощности или просто потерь:

= P₁ – P₂ = f₂ (P₂);

- характеристика КПД:

η = P₂/P₁ = f₃ (P₂);

- характеристика удельного расхода:

δ = P₁/P₂ = f₄ (P₂).

Между величинами , η и δ существуют следующие соотношения:

Для элементов, передающих энергию, обычно пользуются только характеристиками потерь или КПД.

Для элементов, преобразующих энергию, пользуются всеми энергетическими характеристиками, но наиболее часто применяют расходную характеристику или характеристику удельного расхода.

Если нет возможности измерения энергии на границе между двумя элементами, то энергетические характеристики строятся сразу для сочетания двух элементов. Это справедливо, например, для агрегата, состоящего из паровой турбины и генератора. Расходная характеристика для турбогенератора строится как зависимость электрической мощности на выводах генератора от часового расхода пара, подведенного к турбине.

Все энергетические характеристики обычно строятся для номинальных параметров подведенной и преобразованной энергии (соответственно на входе и выходе элемента). При отклонении по тем или иным причинам этих параметров энергетические характеристики недействительны и должны быть перестроены.

Энергетические характеристики элементов играют решающую роль при установлении экономичных режимов энергетической системы.

Помимо энергетических характеристик, для отдельных элементов энергетической системы определяют рабочие характеристики, т.е. зависимость отдельных параметров на входе в элемент от параметров на выходе.

Наряду с отдельными характеристиками элементов могут быть построены характеристики целых частей системы, состоящих из совокупностей отдельных элементов. При построении таких характеристик, существенно упрощающих анализ работы сложной энергетической системы, неизбежна «идеализация» процессов в отдельных элементах, особенно при построении характеристик нагрузки. При этом необходимо руководствоваться следующим общим принципом: замена некоторой совокупности отдельных элементов одним идеализированным «макроэлементом» может быть оправдана только тем, что относительные изменения процессов в каждом из этих элементов достаточно малы по сравнению с изменением процесса в целом.