Комплексное использование природного газа в теплоснабжении предприятий машиностроительной промышленности

Актуальность темы

Проблеме экономии топливно-энергетических ресурсов уделяется большое внимание во всем мире. В связи с этим особое значение приобретает внедрение энергосберегающих технологий, обеспечивающих снижение энергоемкости промышленной продукции и позволяющих решать экологические задачи.

В экономике России энергетика играет ведущую роль. Структурная перестройка материального производства и жизнеобеспечение населения требуют развития сферы энергетических услуг. Энергетическое сотрудничество нашей страны с дальним и ближним зарубежьем дает бюджету значительную часть всех валютных поступлений.

Наша страна обладает огромными энергоресурсами — в ее недрах сосредоточено более 30% разведанных мировых запасов природного газа, 13% нефти, 23% угля, 14% урана. Однако этот ресурсный потенциал используется недостаточно эффективно. В России, являющейся одной из ведущих энергетических государств, уровень затрат важнейших видов энергии превосходит аналогичные показатели в развитых зарубежных странах. Это свидетельствует о значительных резервах экономии энергоресурсов в России, масштабы которых оцениваются по разным данным от 25 до 40% от уровня потребляемых тепловых энергетических ресурсов (ТЭР) [1]. Удельная энергоемкость выпускаемой продукции в России в 2−3 раза выше, чем США, Японии и Западной Европе. Необходимо отметить и специфическую структуру топливно-энергетического баланса нашей страны, в котором доминирующую роль играет природный газ: его доля в настоящее время достигает 50%, а к 2020 г. прогнозируется ее увеличение до 58% [2].

Экономически целесообразно уже сейчас снижать объемы добычи топлива. Средства, сэкономленные на попытках увеличить или даже поддержать достигнутый нерационально высокий уровень добычи топлива, можно более эффективно вложить в энергосберегающие мероприятия.

В области энергосберегающих технологий имеются крупные резервы, так как наряду с установками, работающими с КПД 90% и выше, действует большое количество промышленных печей и сушил с КПД, не превышающим 30%. Эффективность использования теплоты в этих агрегатах можно значительно повысить, причем капиталовложений для этого требуется существенно меньше в сравнении с необходимым для добычи эквивалентного количества топлива. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что стоимость энергии, сэкономленной в результате реконструкции, в 3−5 раз дешевле энергии, получаемой при строительстве новых установок аналогичной производительности.

Обследование газои теплоиспользующего оборудования промышленных объектов различных отраслей промышленности, проведенное специалистами РГСУ. РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, НГСАУ, показало, что примерно 25% природного газа, тепловой и электрической энергии, потребляемой предприятиями, используется для низкотемпературных процессов. К ним в первую очередь относятся отопление, вентиляция, кондиционирование, процессы сушки.

Одним из перспективных направлений экономии энергоресурсов является использование теплоты продуктов сгорания природного газа в энерготехнологических установках различного температурного уровня. При этом продукты сгорания топлива последовательно направляются из высокотемпературного источника в среднеи низкотемпературные агрегаты. Такие системы принято называть установками комплексного ступенчатого использования теплоты продуктов сгорания. Элементами таких систем являются в основном теплообменники и тепловые агрегаты. Схемы и технологии комплексного использования тепловых ресурсов продуктов сгорания природного газа апробированы и применяются в различных отраслях промышленности [3].

В настоящее время интерес в промышленной энергетике представляют автономные комбинированные схемы использования природного газа для одновременной выработки тепловой и электрической энергии. В таких установках природный газ сжигается в газовой турбине или двигателе внутреннего сгорания, служащих для привода электрогенераторов.

Снижение энергоемкости национального дохода требует не только изменения производственного процесса, но и уменьшения непроизводственных потерь.

В настоящее время наиболее перспективным направлением экономии энергии является использование теплоты продуктов сгорания природного газа для технологических нужд, теплоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха и др.

Значительным источником вторичных энергетических ресурсов являются промышленные печи, в которых сжигается природный газ. Продукты сгорания природного газа можно рассматривать как высококачественный теплоноситель, в них, как правило, отсутствуют вредные примеси и твердые частицы.

В то же время продукты сгорания часто с высокой температурой (500°С и выше) удаляются в атмосферу. Однако применение этих продуктов сгорания в качестве теплоносителя в комплексе энергопотребляющих установок могло бы дать существенный экономический эффект.

Машиностроительная промышленность является одним из крупных потребителей природного газа. Предприятия этой отрасли имеют разнообразную структуру потребления энергии. Наличие на предприятиях технологического оборудования с различным температурным режимом открывает возможность широкого применения метода комплексного использования природного газа.

При разработке теплоиспользующих систем необходимо решить ряд экологических вопросов. Методы повышения эффективности применения природного газа следует рассматривать в связи с мероприятиями по охране окружающей среды.

Исследования проводились в соответствии с программой МНТП «Архитектура и строительство» в рамках тем: «Эффективные системы энергоснабжения зданий и сооружений» (2000;2002 гг.), «Системы автономного энергоснабжения производственных зданий машиностроительной промышленности».

• (2002;2004 гг.), а также по программе гранта по фундаментальным исследованиям в области технических наук (подраздел «Проблемы создания, развития и эксплуатации систем жизнеобеспечения» (2000;2002 гг.).

Целью работы является разработка методов совершенствования комплексных установок использования природного газа в теплоснабжении предприятий машиностроительной промышленности, обеспечивающих повышение их эффективности.

В соответствии с целью диссертационной работы были поставлены и решены следующие задачи: анализ технологических источников вторичных тепловых энергетических ресурсов и потенциальных потребителей тепловой энергии на предприятиях машиностроительной промышленностисравнительный анализ эффективности различных схем утилизации теплоты и разработка классификации установок комплексного использования природного газаисследование особенностей аэродинамического режима работы •I комплексных установок и разработка способов повышения их аэродинамической и энергетической эффективности посредством использования совместной работы нагнетателей в трактах продуктов сгоранияисследование параметров совместной работы нагнетателей в термически нестационарных режимах эксплуатацииразработка энергоэффективных (схемотехнических решений) комплексных установок на основе совместной выработки тепловой и электрической энергии, применении тепловых насосов и поверхностных конденсационных теплообменников.

Научная новизна наиболее существенных результатов работы заключается в комплексном подходе к разработке методов и средств термодинамических и аэродинамических исследований систем комплексного использования природного газа.

В результате исследований решены следующие аспекты проблемы: разработан метод определения параметров совместно работающих нагнетателей в термически нестационарных режимах эксплуатациипредложены новые схемотехнические решения совместной выработки тепловой и электрической энергии, адаптированные к тепловым источникам вторичных энергетических ресурсов и потребителям энергии на предприятиях машиностроительной промышленностидоказана возможность использования тепловых насосов с целью совместной выработки теплоты и холода для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздухаобоснована целесообразность использования совместно работающих нагнетателей в трактах продуктов сгорания природного газа.

Достоверность полученных результатов определяется корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений, адекватностью используемого математического материала и полученных моделей исследуемым процессамподтверждается хорошей сходимостью аналитических расчетов, математического моделирования с экспериментальными данными.

Практическая значимость результатов работы: Ф состоит в разработке метода расчета эффективных систем комплексного комбинированного применения природного газа с одновременной выработкой электрической и тепловой энергии, предназначенного для проектирования предприятий машиностроительной промышленностирезультаты диссертационной работы позволяют повысить эффективность вновь разрабатываемых и реконструируемых установок комплексного использования природного газаметод определения параметров совместно работающих нагнетателей в термически нестационарных режимах эксплуатации предназначен для использования в практике проектирования энергосберегающих установокразработаны установки для конкретных технологических процессов в машиностроительной промышленностирезультаты исследований включены в учебные курсы по энергосбережению в системах теплогазоснабжения и вентиляции для студентов инженерно-строительных специальностейразработаны установки для конкретных технологических процессов с использованием низкопотенциальных тепловых ресурсов для целей теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Реализация результатов работы. Научные положения, методология проектирования, программы расчетов используются в исследовательской и проектной практике рядя организаций (ПроектНИИстройдормаш, Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина, АО «Озон» и др.).

Результаты исследований и разработок включены в отраслевую нормаль по проектированию энергосберегающих установок на машиностроительных предприятиях по производству строительных и дорожных машин.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в курсе «Энергосбережение в системах теплогазоснабжения и вентиляции» для специальности 290 700 — Теплогазоснабжение и вентиляция.

На защиту выносятся следующие основные положения: метод определения параметров работы совместно работающих нагнетателей в термически нестационарных режимах эксплуатацииспособ использования теплоты продуктов сгорания природного газа для конкретных технологических процессов машиностроительной промышленностисхемотехнические решения совместной выработки тепловой и электрической энергии, применения тепловых насосов и поверхностных конденсационных теплообменников, адаптированных к тепловым источникам вторичных энергетических ресурсов и потребителям энергии на предприятиях машиностроительной промышленностиэнергосберегающие установки комплексного использования природного газа, обеспечивающие эффективность его применения в машиностроительной промышленности.

Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях Ростовского государственного строительного университета «Строительство — 2002», «Строительство — 2003», «Строительство -2004», на международной конференции «Проблемы энергосбережения и экологии при использовании углеводородных топлив» (РГСУ, Ростов-на-Дону, 2000 г.), на международных научно-технических конференциях «Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды» (РГАСХМ, Ростов-на-Дону, 2001, 2002 и 2003 г.г.), на международной научной конференции «Энергосбережение и охрана воздушного бассейна при использовании природного газа» (РГСУ, Ростов-на-Дону, 2002 г.), на 5-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2003 г.), на научно-практических семинарах кафедр Отопления, вентиляции и кондиционирования и Теплогазо-снабжения РГСУ.

Публикации: Всего опубликовано 17 печатных работ, в том числе по теме диссертационной работы 15 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы.

5.4. Выводы.

1. При рассмотрении вариантов использования природного газа в промышленности эффективность его применения определяется достигнутой экономией народнохозяйственных затрат по добыче и транспорту газа.

2. Кроме экономии народно-хозяйственных затрат необходимо определить получаемую предприятием экономию, которая зависит от прироста прибыли за счет осуществления мероприятий по использованию теплоты продуктов сгорания природного газа.

3. Экономически наиболее выгодный вариант не всегда совпадает с энергетическим оптимумом. Необходимо учитывать показатели отдельных элементов комплексной системы. В ряде случаев целесообразно рассмотреть не только стоимостные показатели, но и натуральные (необходимые материалы, затраты трудовых ресурсов, охрану окружающей среды и т. п.).