Раздел 1. Общая информация об областях применения ПСО

Раздел 1. Общая информация об областях применения ПСО

Любой реальный производственный процесс связан с образованием тепла. Это вызвано тем, что все производственные процессы связаны с преобразованием энергии из одной формы (ядерной, химической, механической, электрической и пр.) в другую, которое неизбежно происходит с выделением тепла. В зависимости от интенсивности процессов образования избыточного тепла и наличия или отсутствия возможности его полезного использования, отведение избыточного тепла в окружающую среду осуществляется неорганизованным образом, например, с поверхности технологической установки, или сооружаются установки, специально предназначенные для организованного отведения тепла, называемые системами охлаждения. От того, насколько системы охлаждения обеспечивают потребности охлаждаемых технологических процессов и оборудования в отведении избыточного тепла существенным образом зависит энергоэффективность, надежность и экологические показатели охлаждаемого оборудования. Далее в этом разделе рассмотрены вопросы, связанные с отраслевыми особенностями объемов избыточного тепла, его температурного уровня и влияния качества охлаждения на показатели надежности, эффективности и экологической безопасности охлаждаемых процессов.

В таблице 1.1 приведены данные об удельном потреблении энергии различными видами экономической деятельности (по данным Государственного доклада о состоянии энергосбережения и повышении энергетической эффективности в Российской Федерации в 2014 году ([50]).

Таблица 1.1 - Удельный расход топливно-энергетических ресурсов в разрезе отраслей экономики Российской Федерации за 2012 - 2014 годы ([50])

Отрасль	Единицы измерения	2012	2013	2014
Производство удобрений	кг у. т./тонну	494,3	487,0	470,1
Целлюлозно-бумажная промышленность	кг у. т./тонну	1109,8	1068,8	1062,2
Черная металлургия	кг у. т./тонну	650,6	657,4	647,8
Добыча природного газа	кг у. т./1000	9,1	9,1	9,2
Транспортировка природного газа	кг у. т./1000	29,6	28,9	28,4
Переработка природного газа	кг у. т./1000	85,9	83,7	82,7
Сжиженный природный газ	кг у. т./кг	0,2	0,2	0,2
Нефтедобыча	кг у. т./тонну	18,2	18,0	17,7
Переработка нефти	кг у. т./тонну	107,7	110,1	112,2
Нефтегазохимия	кг у. т./тонну	1027,7	1000,1	956,1
Попутный нефтяной газ	кг у. т./1000	41,4	41,0	40,6
Генерация электроэнергии	г у.т./квтч	330,4	328,4	325,1

Практически вся первичная энергия, потребляемая отраслями, указанными в таблице 1.1 (за исключением производства электроэнергии), в конечном счете превращается в тепло и отводится в атмосферу как неорганизованно, так и разнообразными специальными системами охлаждения. Каждая из отраслей характеризуется специфическими объемами и температурным уровнем избыточного тепла, которое отводится в окружающую среду. Далее в разделе 1 приведены сведения об особенностях причин образования, объемов и параметров избыточного тепла при осуществлении некоторых видов хозяйственной деятельности.

1.1 Предприятия черной и цветной металлургии

Черная металлургия - отрасль тяжелой промышленности, которая включает производство чугуна, стали, проката, ферросплавов, а также добычу и обогащение железной руды и производство огнеупоров. В структуру черной металлургии Российской Федерации входит более 1,5 тыс. предприятий. В России выделяют три основных базы черной металлургии: уральская, центральная и сибирская. Основу российской черной металлургии составляют 6 крупных вертикально и горизонтально интегрированных холдингов, на долю которых приходится более 93% всей выпускаемой продукции: Северсталь, EVRAZ, Новолипецкий металлургический комбинат, Магнитогорский металлургический комбинат, Металлоинвест, Мечел.

Рисунок 1.1 - Основные базы черной металлургии Российской Федерации ([55])

Уральская база - старейшая в России и самая крупная. Сейчас здесь производят около половины всей продукции черной металлургии страны. Уральская металлургическая база связана с кузбасским углем и уральскими месторождениями железной руды. Центрами металлургии Урала являются Магнитогорск, Челябинск, Нижний Тагил, Екатеринбург. Крупнейшие предприятия- Магнитогорский металлургический комбинат, Челябинский металлургический комбинат, Чусовской металлургический завод и другие.

Поскольку месторождения железной руды на Урале практически исчерпаны, на смену Уральской металлургической базе строится Сибирская. На данный момент эта база находится на стадии формирования и представлена двумя крупными металлургическими предприятиями - Кузнецкий металлургический комбинат и Западно-Сибирский металлургический комбинат в Новокузнецке.

Центральная металлургическая база использует собственные месторождения железной руды, которые находятся в Курской и Белгородской областях. Добыча руды здесь очень дешева и добывается открытым способом. Здесь нет угля, но в силу удобного географического расположения, предприятия снабжаются углем из трех бассейнов - Донецкого, Печорского и Кузнецкого. Крупнейшие предприятия - Череповецкий металлургический комбинат, Новолипецкий металлургический комбинат, металлургические заводы в Туле и Старом Осколе.

По объему запасов железной руды Россия занимает третье место в мире, уступая по этому показателю Австралии и Бразилии. Разведанные запасы железной руды в России составляют около 25 млрд. тонн, что в пересчете на чистое железо составляет 14 млрд. тонн.

Наибольшие объемы избыточного тепла на предприятиях черной металлургии образуются при охлаждении агрегатов доменных цехов, в установках по очистке доменного газа, прокатных цехах, воздуходувных и электрических станциях (теплоэлектроцентралях). Раньше много потребляли воды и сталеплавильные цехи, но с переводом печей на испарительное охлаждение, при котором охлаждение нагретых элементов печи производится пароводяной эмульсией, потребность этих цехов в воде резко сократилась.

В настоящее время для охлаждения теплонагруженных элементов металлургических печей применяют в основном следующие три типа систем охлаждения:

- охлаждение проточной технической водой;

- испарительное охлаждение (с естественной и принудительной циркуляцией);

- охлаждение химически очищенной водой в замкнутом контуре с использованием теплообменников.

При проточном водяном охлаждении отвод теплоты от водоохлаждаемых элементов производится холодной проточной водой. При этом расход воды должен обеспечить, по возможности, безнакипный режим. Данное условие трудно выполнимо, так как техническая вода содержит накипеобразователи, которые при нагреве воды осаждают на стенках деталей, препятствуя отводу от них тепла.

Каждая из названных систем имеет свои преимущества и недостатки, что касается обеспечения качества охлаждения, а также их экономичности и эффективности.

Все большее распространение получает система испарительного охлаждения металлургических печей (доменных, мартеновских, электроплавильных, нагревательных и вагранок). При испарительном охлаждении тепло от нагретых элементов печи отводится водой, нагревающейся до образования пароводяной эмульсии. При этом используется скрытая теплота парообразования, т.е. тепло, отбираемое охлаждающей водой, затрачивается на ее испарение. В холодильники печи подается вода, освобожденная от солей жесткости и лишенная коррозионных свойств. Получаемый пар используется на технологические нужды завода.

Данная система охлаждения представляет собой комбинацию двух функционально независимых систем: традиционное испарительное охлаждение с естественной циркуляцией для холодильников шахты (первый контур) и принудительная циркуляция холодной химически очищенной для охлаждения холодильников нижней зоны и труб подлещадного охлаждения (второй контур), которые объединены общей системой утилизации тепла нагретой воды для подогрева воздуха, идущего для горения газа в доменных воздухонагревателях.

Система теплоиспользования состоит из водовоздушного теплообменника (калорифера), пароводяных теплообменников (бойлеров) и водоводяных теплообменников. Калориферы используются в качестве теплообменников, в которых за счет тепла нагретой воды охлаждаемых элементов нижней зоны и тепла конденсации пара системы испарительного охлаждения холодильников шахты нагревается воздух, идущий для горения газа в воздухонагревателях.

Системы испарительного охлаждения также используются для охлаждения элементов печей цветной металлургии. В печах кипящего слоя охлаждают стояки отходящих газов (для предварительного охлаждения газов), кессоны для отвода теплоты от слоя; в отражательных - рамы завалочных окон, пятовые балки, шибера. Кессоны, шахты, свода и пода фьюминговой печи; в конвертерах - напыльники; в печи рудно-термической плавки - закладные элементы кладки стен печи, приэлектродные зоны свода печи, загрузочные течки и т.д.

Принципиальная схема системы испарительного охлаждения представлена на рисунке 1.2. Циркуляция воды в системе непрерывна. При этом возможна естественная или принудительная циркуляция.

Рисунок 1.2 - Принципиальная схема системы испарительного охлаждения ([54]):

Параметры пара в системах испарительного охлаждения выбираются на основании анализа топливно-энергетических балансов и технико-экономических расчетов с учетом предельных параметров для данного типа установок. Так, предельные параметры пара для систем охлаждения доменных печей составляют 0,8 МПа; мартеновских и двухванных сталеплавильных агрегатов - 2,5 МПа; методических нагревательных - 4,7 МПа.

Удельная выработка пара определяется для каждого агрегата отдельно. Так, например, в доменном производстве она составляет 0,2 кг/кг; мартеновском - 0,25 кг/кг; прокатном - 0,3 кг пара на 1 кг продукции.

Из-за относительно низких параметров пар испарительного охлаждения не всегда находит потребителей. В настоящее время используется менее 85% пара систем испарительного охлаждения. Потребители насыщенного пара самые разнообразные. На металлургическом предприятии имеется несколько паропроводов (каждый для пара определенных параметров), к которым подключены как парогенерирующие установки (паровые котлы, котлы-утилизаторы, системы испарительного охлаждения и др.), так и потребители пара соответствующих параметров либо непосредственно, либо через преобразующие устройства. Из паропроводов насыщенного пара пар, в зависимости от давления, используется в технологических цехах для различных нужд. В доменном производстве паром (давление пара 0,4 - 0,5 МПа) увлажняют дутье, уплотняют засыпные аппараты доменных печей, обогревают рудные бункера и трубопроводы, а также применяют для технологических нужд в коксохимическом производстве.

В мартеновском производстве насыщенным паром (давление 0,12 - 0,15 МПа) нагревают мазут, масла и смолы в резервуарах и трубопроводах.

Насыщенный пар находит потребителей также в энергетическом хозяйстве предприятий: для водоподготовки производственных котельных ТЭЦ, паровакуумных холодильных установок, кондиционирования воздуха в горячих цехах, получения льда, в горячем водоснабжении душевых, бань, прачечных и др.

При дополнительном перегреве насыщенного пара до более высокого давления (24 - 4,5 МПа) его можно использовать в турбинах.

Доменный цех. В доменных печах вода расходуется на охлаждение кладки печей и металлических конструкций, находящихся под непосредственным воздействием высоких температур, развивающихся в процессе плавки металла. Система охлаждения доменных печей состоит из большого числа теплообменников, расположенных в кладке всех зон печи, по которым циркулирует охлаждающая вода.

Теплообменники доменной печи представляют систему металлических плит-коробок, соединенных трубками небольшого диаметра. Проходя по закрытой системе труб и теплообменников, вода нагревается, но не загрязняется.

Вода в теплообменниках доменной печи, по данным многочисленных обследований, нагревается на 3°С - 10°C, при этом температура поступающей к печи воды может достигать 30°С - 35°С. Дальнейшее ее повышение нежелательно, так как тогда может происходить выпадение солей временной жесткости, что ведет к "зарастанию" труб в теплообменниках.

При использовании сравнительно мягких вод (3 - 4 мг экв./л) допустимое содержание взвешенных веществ при обычной эксплуатации составляет 100 - 200 мг/л. В отдельных случаях оно может быть повышено до 300 и даже 500 мг/л и более, что влечет за собой необходимость более частой промывки теплообменников.

Помимо охлаждения доменных печей, вода в доменном цехе расходуется также на охлаждение арматуры воздухонагревателей. Одной из характерных особенностей системы водоснабжения доменных цехов является наличие в отводной магистрали напора, создаваемого за счет разности отметок (расположения сборных резервуаров или желобов, находящихся на уровне рабочей площадки печи и водоохладителей.

Разность отметок (8 - 10 м) обеспечивает поступление нагретой, отработанной воды к охладителям оборотной системы водоснабжения самотеком, без перекачки ее насосами.

Установки для очистки доменного газа. Выходящий из доменных печей газ обладает большой теплотворной способностью и используется в качестве топлива в других цехах металлургического завода. Однако для транспортировки по газопроводам он должен быть очищен от большого количества колошниковой пыли, состоящей из мельчайших частиц материалов, загружаемых в печь (руда, кокс, известняк и др.). Одновременно с очисткой газ должен быть охлажден.

В настоящее время при проектировании металлургических заводов предусматривается электрическая очистка доменных газов в электрофильтрах. При прохождении через электрическое поле высокого напряжения содержащиеся в газе частицы пыли приобретают электрический заряд и осаждаются на электродах.

Установка для электрической очистки газа состоит из скруббера, размещаемого в нижней части аппарата, и двух электрофильтров, находящихся в средней и верхней частях колонны.

В скруббере газ проходит грубую очистку и одновременно охлаждается до 35°С - 40°C. После скруббера газ направляется на электрофильтры, где происходит его тонкая очистка.

Расходуемая на промывку и охлаждение газа загрязненная большим количеством колошниковой пыли вода собирается в нижней части газоочистного аппарата (под скруббером) и сбрасывается в отводные лотки. Сточная вода после газоочистки содержит как механические, так и химические загрязнения. В то же время после надлежащего отстоя вода может быть вновь использована для водоснабжения газоочистки. Поэтому система водоснабжения газоочистки принимается оборотной. Перед повторным использованием осветленной воды ее необходимо охладить.

Осветление оборотной воды происходит в горизонтальных отстойниках. На металлургических заводах, работающих на обычных рудах, применяются радиальные отстойники, оборудованные подвижными фермами для непрерывного сгребания шлама, что весьма важно, так как шлам имеет свойство спекаться. Шлам удаляется из отстойников постоянно работающими насосами.

Опыт эксплуатации радиальных отстойников подтвердил их несомненные преимущества. Эффект осветления в них достигает 90% - 95%. Однако и при высоком проценте осветления в оборотной воде цикла газоочистки содержится до 200 - 500 мг/л взвешенных веществ. Наличие в оборотной воде такого количества взвеси, имеющей способность к спеканию, предъявляет особые требования к конструкции оросительных устройств градирен.

Сталеплавильные цехи. В мартеновских печах этих цехов вода охлаждает заслонки и рамы завалочных окон, кессоны, перекидные клапаны и другие устройства. Вода циркулирует по закрытым трубкам и поэтому не загрязняется. После охлаждения ее вновь можно использовать, за исключением воды от дымовых клапанов, которая сбрасывается в канализацию.

Средний температурный перепад между подводимой и отходящей от мартеновских цехов водой составляет 15°C. Нагревшаяся вода собирается в приемных коробках, установленных на рабочих площадках печей, на высоте 7 - 8 м от спланированной поверхности и под этим напором может подаваться на охладитель.

В последнее время применяется испарительное охлаждение мартеновских печей. Подаваемая в теплообменники горячая вода за счет отбора тепла от охлаждаемых элементов образует пароводяную эмульсию, которая поступает в бак-сепаратор, где пар отделяется от воды и отводится для дальнейшего использования, а вода продолжает циркулировать в системе. Циркуляция происходит либо естественным путем за счет разности удельных весов воды и пароводяной эмульсии, либо при помощи насоса.

Подаваемая для испарительного охлаждения вода подвергается специальной химической очистке. В этом случае оборотное водоснабжение с охлаждением отработавшей воды в водоохладителях не применяется.

Водяное охлаждение при использовании испарительного охлаждения сохраняется в виде резерва для удовлетворения потребности одной или двух печей в зависимости от мощности цеха. Вода используется также для охлаждения мелких агрегатов в цехе - дымовых клапанов и др.

Прокатные цехи. По характеру водопотребления оборудование прокатных цехов можно разделить на три основные группы:

- нагревательные печи и колодцы, где слитки разогреваются перед их прокаткой;

- собственно прокатные станы;

- теплообменники для воздуха (и масла) в моторных помещениях двигателей основных станов.

В нагревательных колодцах и печах прокатных цехов вода расходуется для охлаждения примерно тех же деталей, что и в мартеновских печах. Вода циркулирует по закрытым трубкам, ничем не загрязняется и после охлаждения может быть вновь использована.

Эти агрегаты нетребовательны в отношении температуры поступающей воды, которая в отдельные периоды года может достигать 30°С - 32°C. Охлаждающая вода нагревается в печах и колодцах на 8°С - 12°С.

В отношении качества (состав, количество взвешенных веществ) к охлаждающей воде для нагревательных колодцев и печей прокатных цехов предъявляются те же требования, что и для доменных печей.

Значительное количество воды в современных прокатных цехах расходуется для воздухоохладителей и охлаждения масла в моторных помещениях машинных залов при станах, где расположены электродвигатели. Проходя закрытые противоточные аппараты, вода нагревается на 8°С - 15°С. Для обеспечения лучших условий работы электродвигателей температура охлаждающей воды для воздуха и масла не должна превышать 25°С - 28°С.

Часть подаваемой к прокатным станам воды поступает к валкам и подшипникам станов и охлаждает их, после чего сливается в подстановые каналы и используется для смыва окалины, которая осыпается с прокатываемого металла в цеховые отстойники. Для охлаждения подшипников станов следует подавать воду без механических примесей. В этих целях используется вода, подаваемая к печам и нагревательным колодцам, или отработанная вода, отходящая от этих агрегатов.

Обычно для прокатных цехов проектируется две системы оборотного водоснабжения - для чистой воды, используемой для охлаждения печей и нагревательных колодцев, воздухо- и маслоохладителей, и для воды, поступающей от станов. Различное качество оборотной воды определяет выбор разных типов охладителей: вентиляторных или башенных градирен с пленочным оросителем для чистого цикла и капельных или брызгальных градирен - для загрязненной воды.

К воде, используемой для охлаждения валков прокатных станов, не предъявляется особых требований как в отношении ее качества, так и температуры. Однако вода, используемая от смыва окалины, должна быть освобождена от окалины и смазочного масла, которое зачастую попадает в сточную воду, отходящую от прокатных цехов. С этой целью на металлургических заводах проектируются особые отстойники, в которых происходит осветление воды, т.е. освобождение от мелкой окалины, вынесенной из цеха, и следов масла.

1.2 Химическая промышленность, нефтепереработка и нефтехимия

Химическая промышленность характеризуется высоким уровнем потребления энергетических ресурсов. К особо энергоемким относятся производство масел, соды каустической и кальцинированной, удобрений, волокон и нитей химических, синтетических смол и пластических масс, синтетического каучука, этилена и пропилена, ацетилена, средств защиты растений, бутилового и изобутилового спиртов. В таблице 1.2 показано фактическое удельное потребление энергии на производство различных видов продукции химической промышленности в Российской Федерации.

Таблица 1.2 - Фактическое удельное потребление энергии на производство различных видов продукции химической промышленности в Российской Федерации ([52])

Продукция	Ед. изм.	Электроэнергия,			Теплоэнергия, тыс. ккал			Топливо, кг у. т.
		2012	2013	2014	2012	2013	2014	2012	2013	2014
Переработка нефти, включая газовый конденсат	на 1 т	46,4	44,0	42,9	134,5	127,2	123,6	59,3	56,3	53,1
первичная переработка нефти	на 1 т	17,8	16,8	17,0	63,2	61,4	55,4	31,9	31,3	29,2
гидрокрекинг	на 1 т	66,9	74,6	66,4	251,5	266,1	343,3	114,1	128,6	103,5
термический крекинг	на 1 т	13,0	13,3	12,6	38,0	35,0	35,5	33,0	32,0	30,2
каталитический крекинг	на 1 т	95,5	93,2	88,6	264,7	258,9	241,7	72,2	66,7	66,0
каталитический риформинг	на 1 т	82,7	81,1	86,7	113,6	122,0	130,8	98,9	93,9	98,4
производство масел	на 1 т	323,4	392,4	320,2	1552,5	1866,4	1515,2	235,3	280,5	223,3
коксование тяжелых нефтяных остатков	на 1 т	38,9	40,6	39,5	145,2	146,7	149,5	57,0	58,7	57,5
гидроочистка	на 1 т	24,1	24,6	25,0	39,7	39,0	35,6	24,4	22,7	22,7
каталитический риформинг для получения ароматических углеводородов	на 1 т	157,3	155,2	151,4	499,9	503,5	499,3	204,7	212,8	208,7
парекс	на 1 т	211,3	194,7	186,7	76,3	78,5	63,4	57,3	47,0	49,2
Переработка газа	на 1 тыс.	118,8	118,5	125,4	188,2	178,9	185,0	20,9	17,8	18,8
в том числе глубокая переработка газа	на 1 тыс.	75,0	73,6	73,6	33,8	33,3	33,0	2,0	3,1	2,1
Сера	на 1 т	63,0	65,8	79,2	475,9	484,4	588,1	86,5	83,4	87,1
Серная кислота в моногидрате	на 1 т	106,3	108,1	113,1	99,6	108,9	121,5	5,1	5,9	9,1
Аммиак синтетический	на 1 т	121,1	115,5	111,0	122,5	117,9	110,5	28,6	24,6	25,5
Сода кальцинированная 100% (включая поташ и содопоташную смесь)	на 1 т	177,4	170,9	181,6	1995,2	1911,1	1676,2	76,1	71,4	76,1
Сода каустическая твердая 100% (включая едкий калий)	на 1 т	1240,4	1118,6	1106,1	1765,6	1724,2	1703,2	38,5	43,2	41,6
Калийные удобрения (в пересчете на 100% )	на 1 т	273,9	279,5	243,9	481,1	538,8	447,9	24,3	24,9	21,9
Фосфатные удобрения (в пересчете на 100% )	на 1 т	587,2	533,4	361,6	2322,4	2059,0	1611,5	57,6	55,1	43,4
Карбамид (мочевина) в пересчете на 100%	на 1 т	250,5	245,5	192,0	1342,3	1421,5	1123,2	14,6	29,0	21,1
Аммиачная селитра	на 1 т	58,6	56,3	55,8	393,8	382,8	325,9	3,1	2,9	2,8
Волокна и нити химические	на 1 т	2329,4	2153,1	2117,5	2701,0	2366,3	2187,7	57,6	55,6	48,4
Синтетические смолы и пластические массы	на 1 т	733,9	639,8	639,3	2827,0	2751,9	3141,4	143,7	141,7	170,1
Каучук синтетический	на 1 т	2600,2	2487,8	2648,8	15357,2	13887,9	12980,5	679,5	670,9	677,0
Лакокрасочные материалы	на 1 т	172,6	147,7	198,9	259,6	205,1	600,3	12,4	12,5	46,0
Этилен и пропилен	на 1 т	481,4	423,0	439,1	2583,9	2376,8	2411,2	313,7	455,7	380,7
Ацетилен	на 1 т	2123,6	2284,3	2196,6	4362,5	4493,7	4589,3	-	-	-
Средства защиты растений химические (пестициды) в 100% исчислении по действующему веществу	на 1 т	330,8	339,2	476,2	315,8	334,5	501,9	-	-	-
Спирты бутиловый и изобутиловый	на 1 т	1649,8	1993,4	1940,4	5345,8	6318,9	5863,0	545,6	620,4	660,4
Шины для грузовых автомобилей, автобусов и троллейбусов	на 1 шт.	52,0	66,2	63,6	191,3	243,1	245,0	0,1	0,1	0,1
Шины для легковых автомобилей	на 1 шт.	18,7	17,7	18,8	61,1	53,0	48,5	0,0	0,0	0,2

Технологические процессы во многих отраслях химической промышленности связаны с охлаждением разогретых жидких и газообразных продуктов. Охлаждение производится непосредственно водой или растворами.

Примером комбинированного охлаждения могут служить аммиачно-холодильные установки, где для целей охлаждения употребляется аммиак и соляной раствор, а вода расходуется для охлаждения рубашек компрессоров и конденсаторов для аммиака.

Для большинства установок химических заводов, где расходуется вода оборотных систем водоснабжения, характерным является применение ограниченного количества типов теплообменников и конденсаторов.

Основными типами являются:

- поверхностные теплообменники и конденсаторы, в которых охлаждаемый продукт и вода не соприкасаются друг с другом и где, как правило, вода не загрязняется продуктом;

- конденсаторы с разбрызгиванием охлаждающей воды непосредственно в продукт.

К числу поверхностных аппаратов относятся:

- трубчатые конденсаторы и теплообменники;

- погруженные конденсаторы и теплообменники;

- оросительные теплообменники.

Трубчатые конденсаторы и теплообменники представляют собой противотивоточные теплообменные аппараты, где по пучку трубок мелкого диаметра протекает обычно вода, а по межтрубному пространству движется охлаждаемый продукт.

Конденсаторы или теплообменники в виде труб или змеевиков, погруженных в бак с проточной водой, получили название погруженных. Отличаясь простотой устройства, аппараты этого типа весьма нетребовательны к качеству воды (жесткости и содержанию взвеси).

В том случае, если змеевики орошаются водой сверху, установки носят название оросительных. Теплообменники и конденсаторы этого типа более эффективны, так как в них, кроме отведения тепла за счет повышения температуры охлаждающей воды, охлаждение происходит и за счет испарения части воды.

Как отмечалось выше, в поверхностных аппаратах вода не соприкасается с охлаждаемым продуктом и, следовательно, ничем не загрязняется. Однако в результате разгерметизации теплообменников охлаждаемый продукт может попадать в воду, что необходимо учитывать при выборе типа водоохладителей.

Из аппаратов, у которых вода непосредственно вводится в продукт для его охлаждения, на предприятиях химической промышленности применяются смешивающие и барометрические конденсаторы. Вода в них, проходя через насадки, сопла или другие приспособления, из верхней части аппарата падает навстречу газообразному продукту.

Барометрические конденсаторы отличаются от смешивающих тем, что в них создается вакуум, который образуется за счет быстрой конденсации паров. В отдельных случаях, в зависимости от характера загрязнения, после соответствующей очистки и охлаждения вода после барометрических конденсаторов может быть повторно использована.

Общей и характерной чертой химических предприятий является наличие большого количества теплообменников и отдельных оборотных циклов водоснабжения, поскольку составные части газообразных продуктов конденсируются при различных температурах. Поэтому к температурам охлаждающей воды также предъявляются различные требования, определяемые технологами при расчете аппаратуры. Максимальное понижение температуры оборотной воды необходимо для аппаратов, которые при низких температурах воды обеспечивают большую конденсацию и лучшее извлечение продукта.

Так, например, в бензольных цехах коксохимических заводов количество улавливаемого бензола при температуре масла 25°С может достигать 90% от его содержания в газе, а если масло будет охлаждено до температуры 30, 35 или 40°С, количество улавливаемого бензола соответственно снизится до 86, 79 и 70%.

1.3 Тепловые и атомные электростанции

По данным Системного оператора ЕЭС за 2015 год ([51]) для производства электроэнергии в России применяются энергогенерирующие установки следующих типов:

- тепловые электростанции (ТЭС) - 68,10% установленной электрической мощности;

- гидроэлектростанции (ГЭС) - 20,34%;

- атомные электростанции (АЭС) - 11,53%;

- прочие (СЭС, ВЭС) - 0,03%.

Тепловые электростанции в свою очередь подразделяются на:

- конденсационные электростанции (КЭС) с паросиловыми установками (паровыми турбогенераторами) - 46,3% от установленной электрической мощности ТЭС;

- теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) - 37,3%;

- газотурбинные (ГТУ) и парогазовые установки (ПГУ) - 16,4%.

Все типы используемых в настоящее время тепловых электрогенерирующих энергоустановок, преобразующих энергию химических связей различных видов топлива в тепло, а затем в электроэнергию, нуждаются в организованном отведении избыточного тепла в окружающую среду. Общее количество крупных ТЭС и, соответственно, их систем охлаждения, составляло в России на конец 2015 года около трехсот пятидесяти.

В 2015 году тепловыми электростанциями России было потреблено около 250 млн. тонн условного топлива (или около 2013,8 млн. топлива), при этом ТЭС произвели 671,4 млн. электроэнергии и порядка 550 млн. тепла (1 млн. Гкал = 1,163 млн. ). Остальная энергия топлива - 792,4 млн. или 39% - была отведена в окружающую среду в виде низкопотенциального тепла. Около 10% исходной энергии топлива (около 200 млн. ) было отведено в атмосферу котельными установками с теплом дымовых газов, химическим и механическим недожогом, тепловыми потерями через обшивку котлов. Остальная часть энергии - 592,4 млн. или около 29% энергии сожженного топлива, было отведено в окружающую среду системами охлаждения энергогенерирующих установок.

Все избыточное тепло от ТЭС и АЭС в конечном счете отводится в атмосферу, однако в качестве промежуточного теплоносителя между технологическим оборудованием и атмосферой, как правило, применяется вода. В среднем за год ТЭС России используют около 106 млрд.  воды, в том числе 80,3 млрд.  из систем оборотного и повторного водоснабжения и 25,6 млрд.  свежей воды из природных источников (по данным ведомственной отчетности Минэнерго России). Основной объем воды на ТЭС потребляется для конденсации пара в конденсаторах паровых турбин (до 90% всей потребности в воде). Для прочих нужд электростанции - подпитки котлов, охлаждения подшипников насосного оборудования, масла, газа и воздуха генераторов, транспорта золы и шлака и т.д. - используется сравнительно небольшая часть общего объема потребления воды.

Удельный расход воды на каждый произведенный 1 электроэнергии, зависит от типа применяемого генерирующего оборудования и составляет для паросиловой конденсационной ТЭС 160 - 250 , для газотурбинной ТЭС - в 3 раза меньше. Потребность в воде для производства электроэнергии на ТЭЦ существенно зависит от того, работает ТЭЦ в теплофикационном или конденсационном режиме. Среднее значение использования воды для производства 1 электроэнергии по России в 2015 году составило 158 , в том числе 38  свежей воды. Температура воды, охлаждающей конденсаторы, определяет величину вакуума, непосредственно влияющую на количество вырабатываемой турбинами электроэнергии и на экономичность работы электростанции в целом. Повышение температуры охлаждающей воды на один градус ухудшает величину вакуума в конденсаторах на 0,5%, что равноценно снижению мощности турбины на 0,4% или перерасходу пара на 0,5%.

Обычно величина нагрева воды в конденсаторах составляет 7°С - 9°C.

В конструктивном отношении воздухо- и газоохладители также являются поверхностными теплообменниками аналогично конденсаторам с той лишь разницей, что между трубками с охлаждающей водой проходит не пар, а подлежащий охлаждению воздух или водород. Температура подводимого к генератору воздуха не должна превышать 35°C - 37°C. По этой причине технические условия на поставку генераторов предусматривают температуру охлаждающей воды для систем воздухоохлаждения не выше 30°С - 33°С во избежание снижения мощности, отдаваемой генератором. Величина нагрева воды в воздухоохладителях составляет 4°С - 5°С.

Поверхностные теплообменники применяются и для охлаждения турбинного масла, используемого для смазки подшипников турбогенераторов и регулирующих механизмов. Маслоохладители обычно требуют подачи воды с температурой не выше 25°С - 30°С.

Для химической очистки воды, питающей котлы, и гидравлического удаления золы и шлаков используется часть теплой циркуляционной воды, получаемой после охлаждения конденсаторов.

Вода в конденсаторах, воздухо- и газоохладителях не загрязняется. В маслоохладителях вода может загрязняться нефтепродуктами через неплотности теплообменной поверхности. Закрытая система охлаждения конденсаторов позволяет легко решать вопросы, связанные с подачей отработанной воды на водоохладительные сооружения. При использовании градирен или брызгальных бассейнов вода подается к конденсаторам под таким напором, чтобы на выходе из них сохранился остаточный напор, способный обеспечить подачу теплой воды на охладитель.

Потребности АЭС в охлаждении и отведении неутилизируемого тепла значительно выше по сравнению с ТЭС одинаковой мощности. Это связано с более низкими параметрами и с наличием других охлаждающих устройств, не характерных для ТЭС. Система технического водоснабжения, осуществляющая функции охлаждения, во многом определяет надежность и экономичность работы АЭС. Капиталовложения в ее сооружение оцениваются на уровне 10% от стоимости строительства АЭС.

Основные источники сбросного тепла на АЭС:

а) конденсаторы паровых турбин (основных и вспомогательных);

б) маслоохладители и воздухоохладители турбогенераторов;

в) охлаждение подшипников насосов и других вспомогательных агрегатов;

г) теплообменники вентиляционных систем;

д) теплообменники доохлаждения продувочной воды парогенератора;

е) теплообменники бассейнов выдержки и перегрузки;

ж) теплообменники расхолаживания реактора;

з) теплообменники доохлаждения продувочной воды реактора;

и) теплообменники автономных контуров охлаждения ГЦН;

к) охладители радиоактивных проб воды и пара, отбираемых для анализа;

Наиболее ответственные потребители осуществляют охлаждение через промежуточный контур. Соотношение давлений потребителей в промежуточном контуре и в системе технического водоснабжения устанавливается таким, чтобы исключить распространение радиоактивности за пределы станции. Если в качестве источника технического водоснабжения используется морская вода, то по прямому назначению она может использоваться лишь для охлаждения конденсаторов турбин, масло- и воздухоохладителей, у всех остальных потребителей охлаждение должно идти через промежуточный контур.

Более 90% расхода технической воды на АЭС потребляют конденсаторы турбин. Охлаждение конденсаторов турбин осуществляется по независимой от других охладителей системе и называется системой технического водоснабжения низкого давления. Для охлаждения ответственных потребителей сооружаются свои системы среднего и высокого давления, не зависящие от работы системы низкого давления.

Учитывая большие потребности в технической воде, источник технического водоснабжения является определяющим при выборе места строительства АЭС. Чем ниже температура охлаждающей воды, тем выше экономичность и надежность АЭС.

1.4 Компрессорные станции

По принципу работы компрессоры можно разделить на объемные и динамические. К компрессорам объемного действия относятся поршневые и винтовые, а к динамическим - центробежные.

Рисунок 1.3 - Типы компрессоров*(1)

Процесс сжатия любых газов связан с повышением его температуры. Для того чтобы температура сжимаемого газа, выходящего из компрессора, не превышала допустимого предела для нормальной, экономичной и безопасной работы компрессора (140°С - 160°C), применяется охлаждение сжимаемого газа - воздушное и/или водяное. Воздушное охлаждение малоэффективно и используется преимущественно в компрессорах малой производительности. Чаще применяется оборотное водяное охлаждение компрессоров.

Система охлаждения компрессоров не предъявляет особых требований к температуре подаваемой воды. В зависимости от величины расхода нагрев воды может достигать 10°С - 25°С. Желательно, чтобы температура нагретой воды не превышала 40°С - 45°С для того, чтобы не происходило выпадение солей временной жесткости и образование накипи на охлаждаемой поверхности.

Если охлаждающая вода содержит большое количество солей, рекомендуется применять двухступенчатую или двухконтурную системы охлаждения. При такой системе охлаждения рубашки компрессоров охлаждает химически очищенная вода, циркулирующая по закрытой, замкнутой сети (первого контура), снабженной поверхностным теплообменником. Вода второго контура используется, в свою очередь, для охлаждения поверхностного теплообменника, после чего она поступает на водоохладитель.

Компрессоры применяются в промышленности очень широко, практически во всех отраслях промышленности.

В электроэнергетике мощные компрессоры применяются для обеспечения необходимого давления топливного газа перед газотурбинными установками.

На нефтепромыслах до недавнего времени было принято сжигать на факелах попутный нефтяной газ, образующийся в результате первичной обработки нефти и перед ее подачей в трубопровод. В настоящее время введено государственное регулирование, в соответствии с которым доля попутного газа, которая может быть сожжена в факелах, ограничивается. Для сжигания попутного газа его необходимо компримировать. Как правило, рабочее давление на нагнетании компрессора на промысле составляет 2 - 5 МПа. Для этих целей в большинстве случаев используются поршневые компрессоры с газопоршневым приводом. Единичная мощность такого компрессорного агрегата составляет 150 - 3500 кВт. Топливом для привода служит перекачиваемый газ.

Еще одной задачей для нефтепромысловых объектов является поддержание пластового давления с помощью закачки газа в пласт. В качестве газа может быть использован попутный газ, иногда воздух. Рабочее давление компрессора для этих целей составляет 15 - 35 МПа. На давно эксплуатируемых месторождениях для повышения дебита скважин применяется газлифтный способ добычи, когда течение нефти в трубу интенсифицируется потоком газа, подаваемого в пласт через другую скважину.

На газопромысловых объектах компрессоры необходимы для обеспечения стабильных параметров газа при подаче его в газопровод, поскольку со временем дебит скважины и пластовое давление снижаются. Для этих целей применяются поршневые (для средних и малых месторождений) и центробежные (для крупных месторождений) компрессоры со сменными проточными частями.

Поршневые компрессоры с газопоршневым приводом широко применяются для транспорта газа (на небольших магистралях) и для технологий его первичной переработки на месторождениях. Единичная мощность таких компрессорных установок бывает от 50 кВт до 6 МВт и могут иметь от одной до 4 ступеней сжатия.

Основные месторождения газа в России расположены на значительном расстоянии от крупных потребителей. Подача газа к ним осуществляется по газопроводам. При прохождении газа по трубам его давление снижается. Например, при расходе газа 90 млн. по трубе диаметром 1400 мм давление убывает с 7,6 до 5,3 МПа на участке 110 км. Поэтому транспортировать природный газ в достаточном количестве и на большие расстояния только за счет естественного пластового давления невозможно. Для этой цели необходимо строить компрессорные станции (КС), которые устанавливаются на трассе газопровода через каждые 100 - 200 км.

В настоящее время только на магистральных газопроводах газотранспортной системы России эксплуатируется более 4 тыс. компрессоров общей установленной мощностью порядка 40 млн. кВт.

Перед подачей газа в магистральные газопроводы его необходимо подготовить к транспорту на головных сооружениях, которые располагаются около газовых месторождений. Подготовка газа заключается в очистке его от механических примесей, осушке от газового конденсата и влаги, а также удалении, при их наличии, побочных продуктов: сероводорода, углекислоты и т.д.

При падении пластового давления около газовых месторождений строят так называемые дожимные компрессорные станции, где давление газа перед подачей его на КС магистрального газопровода поднимают до уровня 5,5 - 7,5 МПа. На магистральном газопроводе около крупных потребителей газа сооружаются газораспределительные станции для газоснабжения потребителей.

Рисунок 1.4 - Схема газопровода и изменения давления и температуры газа вдоль трассы ([56])

На газопроводах в качестве привода КС используются газотурбинные установки, электродвигатели и газомотокомпрессоры - комбинированные агрегаты, в которых привод поршневого компрессора осуществляется от коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания. Вид привода компрессорных станций и ее мощность, в основном, определяются пропускной способностью газопровода. Для станций подземного хранения газа, где требуются большие степени сжатия и малые расходы, используются газомотокомпрессоры, а также газотурбинные агрегаты типа "Солар" и ГПА-Ц-6,3, которые могут обеспечивать заданные степени сжатия. Для газопроводов с большой пропускной способностью наибольшее применение находят центробежные нагнетатели с приводом от газотурбинных установок или электродвигателей.

С ростом пропускной способности газопроводов за счет увеличения диаметра трубы и рабочего давления растет температура газа, протекающего по трубопроводу. Для повышения эффективности работы газопровода и, прежде всего, для снижения затрат энергии на транспортировку газа необходимо на выходе каждой КС устанавливать аппараты воздушного охлаждения газа. Снижение температуры газа необходимо еще и для сохранения изоляции трубы. Для уменьшения затрат мощности КС на перекачку газа, увеличения пропускной способности газопровода и экономии энергоресурсов на перекачку газа всегда выгодно поддерживать максимальное давление газа в трубопроводе, снижать температуру перекачиваемого газа за счет его охлаждения на станциях, использовать газопроводы большего диаметра, периодически осуществлять очистку внутренней поверхности трубопровода.

Современная компрессорная станция (КС) - это сложное инженерное сооружение, обеспечивающее основные технологические процессы по подготовке и транспорту природного газа.

Рисунок 1.5 - Принципиальная схема компоновки основного оборудования компрессорной станции ([56])

На магистральных газопроводах различают три основных типа КС по их функциональному назначению: головные компрессорные станции, линейные компрессорные станции и дожимные компрессорные станции.

Головные компрессорные станции устанавливаются непосредственно по ходу газа после газового месторождения. По мере добычи газа происходит падение давления в месторождении до уровня, когда транспортировать его в необходимом количестве без компремирования уже нельзя. Поэтому для поддержания необходимого давления и расхода строятся головные компрессорные станции. Их назначением является создание необходимого давления технологического газа для его дальнейшего транспорта по магистральным газопроводам. Принципиальным отличием таких станций от линейных станций является более высокая степень сжатия.

Линейные КС устанавливаются на магистральных газопроводах, как правило, через каждые 100 - 200 км. Назначением КС является компремирование поступающего на станцию природного газа. Тем самым обеспечивается постоянный заданный расход газа по магистральному газопроводу. В России строятся линейные газопроводы в основном на давление 5,5 МПа и 7,5 МПа.

Дожимные компрессорные станции (ДКС) устанавливаются на подземных хранилищах газа (ПХГ). Назначением ДКС является подача газа в подземное хранилище газа от магистрального газопровода и отбор природного газа из подземного хранилища (как правило, в зимний период времени) для последующей подачи его в магистральный газопровод или непосредственно потребителям газа. ДКС строятся также на газовом месторождении при падении пластового давления ниже давления в магистральном трубопроводе. Отличительной особенностью ДКС от линейных КС является высокая степень сжатия 2 - 4, улучшенная подготовка технологического газа (осушители, сепараторы, пылеуловители), поступающего из подземного хранилища с целью его очистки от механических примесей и влаги, выносимой с газом.

Рядом с потребителями газа строятся газораспределительные станции (ГРС), где газ редуцируется до необходимого давления (1,2; 0,6; 0,3 МПа) перед подачей его в сети газового хозяйства.

Компремирование газа на КС приводит к повышению его температуры на выходе станции. Численное значение этой температуры определяется ее начальным значением на входе КС и степенью сжатия газа.

Излишне высокая температура газа на выходе станции, с одной стороны, может привести к разрушению изоляционного покрытия трубопровода, а с другой стороны - к снижению подачи технологического газа и увеличению энергозатрат на его компремирование (из-за увеличения его объемного расхода).

Определенные специфические требования к охлаждению газа предъявляются в северных районах страны, где газопроводы проходят в зоне вечномерзлых грунтов. В этих районах газ в целом ряде случаев необходимо охлаждать до отрицательных температур с целью недопущения протаивания грунтов вокруг трубопровода. В противном случае это может привести к вспучиванию грунтов, смещению трубопровода и, как следствие, возникновению аварийной ситуации.

Охлаждение технологического газа можно осуществить в холодильниках различных систем и конструкций; кожухотрубных (типа "труба в трубе"), воздушных компрессионных и абсорбирующих холодильных машинах, различного типа градирнях, воздушных холодильниках и т.д.

Большую часть механического оборудования нефтеперерабатывающих, газоперерабатывающих и нефтехимических производств составляет компрессорное оборудование различного назначения, применяемое в основном технологическом цикле и вспомогательных производствах:

- циркуляционные компрессоры, обеспечивающие стабильный расход процессного газа по замкнутому контуру для поддержания необходимых параметров рабочего процесса в технологических установках (например, циркуляция водородсодержащего газа в циклах установок гидроочистки);

- питающие компрессоры, обеспечивающие подачу процессного газа в реактор;

- дожимающие компрессоры (бустеры);

- компрессоры товарных газов (например, метана).

Наибольшее распространение на заводах нефте- и газопереарботки получили поршневые и центробежные компрессоры с электроприводом.

Воздухоразделительные установки различного назначения - еще одна достаточно специфическая область применения компрессорного оборудования. Независимо от типа используемых технологических процессов разделения воздуха они требуют подачи сжатого воздуха.

Крупные системы охлаждения применяются при производстве сжиженного природного газа (СПГ). Обычно сжижение природного газа высокого давления при температуре окружающей среды производится в серии теплообменников (испарителей холодильных машин), которые обеспечивают последовательное охлаждение, полное сжижение и некоторое переохлаждение. Очистка и фракционирование реализуются, как и основное охлаждение, под высоким давлением. Установки сжижения являются крупными потребителями энергии. Эта энергия обычно производится за счет потребления части сжижаемого газа (в тепловом эквиваленте около 12%).

1.5 Целлюлозно-бумажная промышленность

В России имеется 212 предприятий, производящих целлюлозно-бумажную продукцию, из которых 17 крупных предприятий (более 100 тыс. т товарной продукции в год) выпускают 79,9% общего объема продукции, средние предприятия (14 единиц, годовая мощность 50 - 100 тыс. т) производят 9,5% продукции. Оставшиеся 10,6% выпускаемых бумаги, картона и изделий из них приходятся на долю 181 предприятия.

Производство целлюлозно-бумажной продукции является высокоэнергоемким. В таблице 1.3 показано фактическое удельное потребление энергии на производство 1 т бумаги и картона в Российской Федерации.

Таблица 1.3 - Фактическое удельное потребление энергии на производство 1 т бумаги и картона в Российской Федерации в 2012 - 2014 годах (Источник: данные ФТС, обработка РАО "Бумпром")

Вид продукции	Электроэнергия,			Теплоэнергия, тыс. ккал			Топливо, кг у. т.
	2012	2013	2014	2012	2013	2014	2012	2013	2014
Бумага	894,3	903,4	861,3	1650,2	1583,9	1592,4	8,9	9,2	8,7
Картон	574,5	537,3	522,7	1795,3	1722,8	1719,7	4,2	3,7	3,0

Технологические процессы производства целлюлозно-бумажной продукции, связанные со значительным использованием тепловой и электрической энергии, описаны в справочнике НДТ ИТС 1-2015 "Производство целлюлозы, древесной массы, бумаги, картона".

Для обеспечения технологическим паром, теплом, электроэнергией на предприятиях имеются ТЭЦ, кородревесные энергетические котлы, содорегенерационные котлы и другое энергетическое оборудование. Используются все виды топлива, такие как природный газ, уголь, мазут. Высока доля использования возобновляемых источников энергии - биотоплива, включая кородревесные отходы, черный щелок, осадки очистных сооружений.

Поскольку потребляемая энергия не входит в состав производимой продукции, она практически в полном объеме отводится в окружающую среду как за счет неорганизованного теплообмена, так и системами охлаждения.