Раздел 4. Применение технологических решений для реализации различных резервов повышения энергоэффективности

Раздел 4. Применение технологических решений для реализации различных резервов повышения энергоэффективности

4.1. Общие сведения

Повышение энергоэффективности на сегодняшнем этапе является непременным условием обеспечения конкурентоспособности, особенно в долгосрочной перспективе, что и является основной мотивацией к энергоэффективности через модернизацию оборудования или применения новых технологических решений.

Необходимо отметить, что оценка эффективности технологических решений может базироваться только на качественной оценке существующего состояния энергопотребления на предприятии, которая может быть объективной только при условии организации надлежащего коммерческого, внутрихозяйственного и технического учета энергии и энергоносителей.

Практическое использование имеющихся резервов повышения энергоэффективности должно базироваться на достоверных учетных данных автоматизированного мониторинга энергопотребления на предприятии, системного анализа и прогнозирования производства и потребления энергии и энергоносителей, а также на системном анализе отраслевых и региональных энергетических балансов.

Тем не менее, даже при условии, что экономическая политика и политика энергоэффективности носят несистемный характер (имеются противоречия подзаконных актов и федеральных законов, происходит частая смена норм, сюда же можно отнести логическую незавершенность отдельных этапов экономической политики, например, кампании по обязательным энергетическим обследованиям), имеются примеры реальной модернизации производства с целью повышения энергоэффективности.

Различные отраслевые примеры реализации различных резервов повышения энергоэффективности приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Меры и направления реализации резервов энергоэффективности в разрезе отраслей экономики РФ*(12) [66]

Отрасли	Меры и возможные резервы	Результаты
Черная металлургия	Широкая модернизация предприятий отрасли, проведение работ по внедрению энергоэффективных технологических решений, а также введение новых производственных мощностей с оптимизированными энергозатратами, в частности: модернизацией производственных мощностей на горно-обогатительных комбинатах, входящих в УК "Металлоинвест" ЦФО; модернизация производственных мощностей в доменном производстве ОАО "Тулачермет", ПАО "НЛМК", ПАО "Северсталь", ОАО "Уральская сталь", ОАО "ЕВРАЗ НТМК", ОАО "ММК", ПАО "Мечел"; модернизация сталепрокатных мощностей на большинстве предприятий отрасли; модернизация мощностей по производству стальных труб на большинстве предприятий отрасли. Практически полностью ликвидированы устаревшие энергозатратные, неэкологичные технологии поштучной горячей прокатки труб	Снижение удельного расхода топливно-энергетических ресурсов по всем переделам черной металлургии, в частности: - на производство товарной железной руды (включая обогащение и производство концентратов) за период с 2012 по 2015 гг. указанный показатель уменьшился на 2,4%; - на производство чугуна за период с 2012 по 2015 гг. указанный показатель уменьшился на 2,4%; прокат готовых черных металлов за период с период с 2012 по 2015 гг. указанный показатель уменьшился на 10,9%; - на производство стальных труб за период с 2012 по 2015 гг. совокупное снижение показателя составило 24,8%. На некоторых предприятиях, напротив, наблюдается увеличение удельного расхода, что связано с увеличением добычи доли "бедных" железных руд, что увеличивает энергозатраты предприятий по производству концентратов (окатышей, агломератов) необходимого качества
Производство строительных материалов	За 10 лет, в течение которых в отрасль вложены значительные инвестиции, техническое состояние российских производственных мощностей существенно улучшено. При этом техническое состояние многих предприятий все еще не соответствует современным требованиям, остающееся в эксплуатации старое оборудование остро нуждается в модернизации из-за высоких производственных затрат на выпуск продукции из-за применения устаревших технологий, имеющих высокую энергозатратность и материалоемкость. Следствиями этой ситуации являются высокий уровень негативного воздействия на окружающую среду и низкая конкурентоспособность по сравнению с аналогичной импортной продукцией как по цене, так и по качеству. В цементной промышленности с 2011 по 2015 гг. были проведены крупные мероприятия по строительству новых энергосберегающих технологических линий, работающих по сухому способу производства цемента. Всего за последние годы введено в эксплуатацию 19 технологических линий, работающих по энергосберегающим технологиям, общей мощностью 30,4 млн тонн. Выведено из эксплуатации 95 технологических линий общей мощностью 17 млн тонн с наиболее высоким удельным расходом топлива и электроэнергии на производство клинкера и цемента. В последние годы 90% мощностей по производству строительного стекла переведены на современную технологию, обеспечивающую существенное снижение энергетических ресурсов. Ведутся также работы по реконструкции действующих стекольных предприятий с целью их перевода на энергосберегающие технологии. В промышленности по производству изделий из ячеистого бетона также завершается работа по строительству современных технологических линий по выпуску обычных стеновых блоков и армированных изделий на основе ячеистого бетона. С целью повышения энергосбережения и энергоэффективности предприятий промышленности строительных материалов в 2015 году утверждены справочники НДТ для таких видов деятельности в промышленности строительных материалов, как производство керамических изделий, производство стекла, производство цемента, производство извести. Цели и задачи по ресурсосбережению и повышению энергоэффективности предприятий отражены в Стратегии развития промышленности строительных материалов на период до 2020 года и дальнейшую перспективу до 2030 года, утвержденной Правительством Российской Федерации 10 мая 2016 года. Она предусматривает установление мер налогового стимулирования энергоэффективности и энергосбережения и формирование нормативной основы для предоставления субсидий на финансирование создания или модернизации промышленной инфраструктуры	Снижение удельного расхода топливно-энергетических ресурсов на производство цементных клинкеров (за период с 2012 по 2015 гг. показатель снизился на 10,5%). Доля цемента, произведенного по энергосберегающей технологии, увеличилась с 14 % в 2011 году до 45,7% в 2015 году. В перспективе планируется выполнение мероприятий по переводу действующих предприятий мокрого способа производства цемента на новые энергосберегающие технологии. Суммарная доля мощности заводов мокрого способа производства цемента составляет 59%. Снижение удельного расхода топливно-энергетических ресурсов на производство мелких стеновых блоков из ячеистого бетона (с 2014 по 2015 гг. показатель снизился на 22,8%). Наблюдается увеличение удельного расхода топливно-энергетических ресурсов на производство портландцемента, цемента глиноземистого, цемента шлакового и аналогичных цементов гидравлических (за период с 2012 по 2015 гг. показатель увеличился на 27,3%) и на производство крупных стеновых блоков (включая блоки стен подвалов) из бетона (с по 2015 гг. показатель увеличился на 9,3%)
Целлюлозно-бумажная промышленность	Наибольшие затраты энергии приходятся на крупнейшие лесопромышленные предприятия целлюлозно-бумажной промышленности, что обусловлено особенностями технологических процессов. Предприятия в Европейской части страны в качестве топлива используют газ, а предприятия в Сибири и на Дальнем Востоке - мазут и каменный уголь. Более высокие затраты топливно-энергетические ресурсы в Уральском и Сибирском федеральных округах обусловлены использованием оборудования с большим процентом износа и жесткими климатическими условиями. В целях повышения энергоэффективности в Российской Федерации принимаются меры по расширению сетей газоснабжения в Сибири и на Дальнем Востоке для предприятий, также одно из направлений в данной сфере - принятие мер к переводу котельных на топливо из древесных отходов (пеллет)	Удельный расход топливно-энергетических ресурсов на производство продукции целлюлозно-бумажной промышленности стабильно снижается по всем подотраслям. За период с 2012 по 2015 гг. снижение удельного расхода топливно-энергетических ресурсов на производство клееной фанеры составило 9,6%, на производство целлюлозы - 6,1%, на производство бумаги 5,3%, на производство картона - 7,2%. При производстве бумаги и картона низкие затраты на топливно-энергетические ресурсы (0,266 т.у.т./тонн и 0,174 т.у.т./тонн соответственно) в Центральном федеральном округе объясняются более высоким уровнем применяемых технологий и оборудования (показатели средние по стране - 0,336 т.у.т/тонн и 0,308 т.у.т./тонн соответственно)
Производство минеральных удобрений	В части производства продукции химической промышленности наиболее энергоемкими являются предприятия-производители минеральных удобрений. На предприятиях по производству минеральных удобрений разработаны программы энергосбережения и повышения энергетической эффективности, включающие в себя комплекс организационных и технических мероприятий. Реализация указанных программ позволит снизить потребление электроэнергии, топлива и воды. На всех предприятиях, в управлении которых участвует Минпромторг России, в директивном порядке внедряются практики бережливого производства	Удельные расходы топливно-энергетических ресурсов по всем переделам отрасли производства химических удобрений имеют тенденцию к снижению. Наиболее значительное снижение наблюдается при производстве фосфорных удобрений - 39,6% за период с 2012 по 2015 гг.
Добыча нефти и газа	В отрасли происходит планомерное усложнение условий добычи нефти и газа. Постепенное истощение относительно легкодоступных месторождений приводит, в том числе к планомерному повышению доли трудноизвлекаемых запасов. Удельный расход топливно-энергетических ресурсов за период с 2012 по 2015 гг. повысился с 19,5 до 21,9 кг у.т/тонну (на 12,3%). При этом темпы роста в 2015 году ощутимо замедлились. Так, если в 2013 и 2014 годах прирост по сравнению с уровнем 2012 года составил 4,6%, то в 2015 году показатель вырос только на 3,1%. В газовой промышленности Минэнерго России использует меры налогового стимулирования утилизации попутного нефтяного газа (далее - ПНГ)	Показатели удельного расхода топливно-энергетических ресурсов на добычу нефти и газа имеют тенденцию к повышению в большинстве федеральных округов Российской Федерации. Целевые показатели направлены в первую очередь на сдерживание темпов роста удельных расходов в натуральном выражении. В 2015 году коэффициент полезного использования ПНГ вырос до 88,2% (+2,7% к уровню 2014 года)
Переработка нефти	Ввод новых установок первичной и вторичной переработки нефти на Антипинском НПЗ и Сургутском ЗСК в Уральском федеральном округе, на Хабаровском НПЗ и Комсомольском НПЗ в Дальневосточном федеральном округе. Ввод новых усовершенствованных установок с применением двух- и трехстадийных процессов на Новокуйбышевском НПЗ, Куйбышевском НПЗ, Московском НПЗ, Рязанском НПЗ, Саратовском НПЗ, ОАО "Орскнефтеоргсинтез", Астраханском ГПЗ. Мощности по каталитическому риформингу введены на ОАО "Орскнефтеоргсинтез", Новокуйбышевском НПЗ, Ангарском НПЗ, Комсомольском НПЗ, Хабаровском НПЗ, Куйбышевском НПЗ, Сызранском НПЗ. Мощности по гидроочистке введены на Антипинском НПЗ, Волгоградском НПЗ, Омском НПЗ, ООО "ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез", Киришском НПЗ. Минэнерго России использует соглашения модернизации НПЗ для стимулирования перехода на производство топлива повышенных экологических классов	Показатели удельного расхода топливно-энергетических ресурсов на производство продукции в области переработки и транспортировки нефти и газа по данным формы N 11-ТЭР федерального статистического наблюдения свидетельствуют об их росте в Уральском федеральном округе с 0,017 до 0,024 т.у.т./тонн (на 41,2%), в Дальневосточном федеральном округе с 0,042 до 0,053 т.у.т./тонн (на 26,2%). Увеличение удельного расхода топливно-энергетических ресурсов на производство продукции по процессу изомеризации по Российской Федерации с 0,125 до 0,134 т.у.т./тонн (на 7,2%). Удельный расход топливно-энергетических ресурсов на производство продукции по гидроочистке представлен показателями по Центральному (0,153 - 0,146 т.у.т./тонн), Приволжскому (0,140 - 0,131 т.у.т/тонн) и частично Сибирскому (0,0076 т.у.т/тонн за г.) федеральным округам. В других регионах Российской Федерации в 2012 гг. не наблюдалось существенных вводов указанных мощностей, как и роста удельного расхода топливно-энергетических ресурсов на производство соответствующей продукции
Транспортировка нефти	Планомерная работа ПАО "Транснефть" по повышению энергетической эффективности, в том числе за счет реализации программы энергосбережения и повышения энергетической эффективности. Основные мероприятия, включенные в разработанную и реализуемую ПАО "Транснефть" Программу энергосбережения и повышения энергетической эффективности на период до 2020 года: - оптимизация технологического процесса перекачки нефти (оптимизация технологических режимов, замена насосного оборудования); - энергосбережение в электрооборудовании (замена электродвигателей привода насосных агрегатов); - энергосбережение в системах теплоснабжения (оптимизация режимов теплоснабжения, применение современных теплоизоляционных материалов); - энергосбережение при выработке тепловой энергии (модернизация котельного оборудования); - развитие ИТ-систем диспетчеризации, моделирования потоков и экономического моделирования сценариев развития транспортной сети, использование частотно-регулируемых приводов; оптимизация вспомогательной логистической инфраструктуры: процессов хранения, автотранспортной деятельности	Динамика удельных показателей потребления энергетических ресурсов в области транспортировки нефти имеет тенденцию к снижению во всех федеральных округах Российской Федерации
Генерация электрической и тепловой энергии	За прошедшие пять лет основные фонды в области производства электрической энергии были существенно обновлены (около 10% от общего объема), прирост установленной мощности генерирующего оборудования за указанный период составил 22,8 ГВт, в том числе в 2011 г. - 3,3 ГВт, в 2012 г. - 5,1 ГВт, в 2013 г. - 4,8 ГВт, в 2014 - 6,7 ГВт, в 2015 г. - 2,9 ГВт. Установленная мощность электростанций ЕЭС России увеличилась с 214 868,6 МВт (на 01.01.2011) до 235 305,559 МВт (на 01.01.2016), т.е. на 20 436,959 МВт (+ 9,5%). Оптимизация и перераспределение приоритетов при составлении ремонтных программ тепловых электрических станций в сторону работ, направленных на увеличение коэффициента полезного действия основного генерирующего оборудования; действующие в настоящее время в отрасли механизмы нормирования удельных расходов, а также рыночные механизмы продажи электрической энергии (мощности). Проводимый Минэнерго России мониторинг свидетельствует о наметившихся негативных тенденциях к прекращению развития централизованного теплоснабжения, снижение доли выработки тепловой энергии в режиме комбинированной выработки. Законодательно в стране установлен приоритет когенерации, однако существующие условия на энергорынке не позволяют использовать преимущества комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. Необходимо создать условия для повышения конкурентоспособности ТЭЦ. Постановлением Правительства Российской Федерации от 15.04.2014 г. N 321 утверждена госпрограмма "Энергоэффективность и развитие энергетики". Утверждены технические требования в правилах доступа к оптовому рынку электроэнергии и мощности (далее - ОРЭМ). При доступе к ОРЭМ участники обязаны соответствовать предъявляемым техническим требованиям к генерирующему оборудованию. Минэнерго России совместно с Минпромторгом России разработан перечень объектов и технологий, которые относятся к объектам и технологиям высокой энергетической эффективности, утвержденный постановлением Правительства Российской Федерации от 17.06.2015 г. N 600, в соответствии с которым предоставляются льготы в рамках налогового законодательства	Экономия топлива за счет ввода новый мощностей, оценивается по итогам 2015 г. в сумму более 5 млрд рублей. Показатель удельного расхода условного топлива, достигнутый в 2015 году, является минимальным за последнее 15 лет. В сфере производства тепловой энергии комбинированными источниками производства электрической и тепловой энергии, накопившиеся за последние 20 лет проблемы не позволяют заявить о существенном улучшении основных технико-экономических показателей
Передача электроэнергии	Распоряжением Правительства Российской Федерации от 3 апреля 2013 г. N 511-р утверждена Стратегия развития электросетевого комплекса Российской Федерации [64]. В части территориальных распределительных сетей реализуются следующие меры, направленные на снижение доли потерь электроэнергии: - изменение подхода к порядку нормирования потерь электроэнергии, в соответствии с которым нормативы потерь для каждой территориальной сетевой организации устанавливаются не на основе индивидуального расчета по фактически сложившимся показателям баланса электроэнергии и состава оборудования, а на основе целевых показателей, полученных по результатам проведения сравнительного - анализа потерь электроэнергии по группам территориальных сетевых организаций на каждом уровне напряжения; - утвержденные целевые показатели - нормативы потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям территориальных сетевых организаций (приказ Минэнерго России от 30 сентября 2014 г. N 674), полученные на основе сравнительного анализа, применяются регулирующими органами для определения долгосрочного параметра регулирования - "уровня потерь электрической энергии" конкретной территориальной сетевой организации перед началом ее долгосрочного периода регулирования с учетом уровня фактических потерь электроэнергии за последний истекший год. При этом величина потерь электрической энергии определяется регулирующим органом на каждый год долгосрочного периода регулирования исходя из уровня потерь электроэнергии и величины планового отпуска электроэнергии в сеть; - изменение порядка нормирования потерь позволило перейти от фиксации сложившегося уровня фактических технологических потерь к установлению при тарифном регулировании целевых значений, определенных на основании лучших практик, создавая при этом стимулы для организаций к снижению технологических потерь электроэнергии. В части Единой национальной (общероссийской) электрической сети (далее - ЕНЭС) изменение подхода к порядку нормирования потерь электроэнергии при ее передаче по ЕНЭС позволило снизить нормативы потерь электроэнергии при ее передаче по ЕНЭС до уровня, не превышающего уровень технологических потерь электроэнергии отчетного года. Осуществляется нормирование потерь электроэнергии при передаче в распределительных сетях через механизм бенчмаркинга	Фактические потери электроэнергии от отпуска электрической энергии в сеть составили в 2012 - 11,8%, в 2013 году - 11,45%, в 2014 году - 11,36%, в 2015 году - 11,10%

Как следует из рассмотрения таблицы 4.1, лидирующие металлургические, химические предприятия, нефтепереработка, целлюлозно-бумажная промышленность, производители стройматериалов (около 20%) вложили существенные средства в модернизацию, что позволило реализовать крупные проекты и заметно улучшить показатели энергопотребления. Как правило (и это отмечалось в первом разделе), эти предприятия использовали самые крупные, значимые резервы энергосбережения и повышения энергетической эффективности.

В настоящее время этим предприятиям необходимо развивать и актуализировать стратегии модернизации или программы энергоэффективности, где, в частности, оценить применимость и эффективность тех или иных технологических решений с использованием, как собственного опыта, так и наработок передовых предприятий отрасли, информации профессиональных и отраслевых союзов. Предприятия I категории, которые не успели или не закончили соответствующую модернизацию (около 35%), могут с успехом воспользоваться опытом лидеров.

Консолидированная информация по повышению энергоэффективности в отраслях промышленности за счет реализации различных технологических решений представлена в таблице 4.2.

Данные представлены справочно, в статусе экспертных оценок, в среднем, по отрасли. Мероприятия в таблице приведены с разбивкой по видам резервов, обозначенным в предыдущем разделе Справочника НДТ.

Более полная реализация имеющихся резервов энергоэффективности (до 90 - 95%) достигается за счет широкомасштабной, всеобъемлющей реконструкции (модернизации, техническом перевооружении) производств, предприятий, практически эквивалентной по масштабам новому строительству с использованием высокоэффективных: оборудования, технологий, средств и систем управления.

Таблица 4.2 - Примеры повышения энергоэффективности в отраслях промышленности за счет реализации технологических решений

Отрасли (подотрасли, производства)	Организационные меры, информационные технологии, автоматизация	Термодинамические и технические приемы	Использование отходов и вторичных ресурсов	Модернизация технологических процессов
Металлургия (добыча и обогащение, агломерация, производство окатышей, кокса, производство чугуна, стального проката)	Внедрение систем автоматизации на печах с горячим дутьем. Автоматизированные системы контроля и управления технологическими процессами, мониторинга, целеполагания	Технологии вдувания пылеугольного топлива в доменных печах. Технология предварительного нагрева вторичного воздуха с повышением объемов использования кислорода. Предварительный нагрев сталеразливочных ковшей. Технологии утилизации вторичной теплоты, доменного газа. Применение рекуперативных горелок. Горячая загрузка и теплоизоляция печей для горячей прокатки	Использование металлургических газов (доменный, коксовый, конверторный) для снижения расхода природного газа	Применение кислородно-конвертерных печей. Технологии непрерывного литья с получением заданных профилей. Применение энергоэффективных двигателей для горячей прокатки. Технологии сухого тушения кокса. Применение газовых утилизационных бескомпрессорных турбин. Установки для производства водорода методом каталитического риформинга природного газа
Целлюлозно-бумажная	Инфракрасное регулирование профиля	Применение технологий утилизации теплоты при термомеханической обработке целлюлозы	Технология газификации черного щелока и других органических отходов	Модификация аппаратов для размола периодического действия. Применение аппаратов для размола периодического действия. Технология прессования с удлиненной зоной. Технология формирования бумажного полотна из бумажной массы высокой концентрации. Применение двухсеточных бумагоделательных машин. Применение технологии сухого формования
Производство минеральных удобрений		Применение технологии первичного реформинга с газовым подогревом		Применение технологий производства карбамида в аппаратах IV поколения радиальные колонны синтеза аммиака). Применение технологий предреформинга
Угольная промышленность	Применение технологии оптимальных комбинаций выемки угля			Применение технологий (создание производств) глубокой переработки угля
Добыча, первичная переработка и транспортировка нефти и газа	Технологии автоматизированного управления процессами транспортировки нефти и газа. Технологии автоматизированного расчета оптимальных режимов перекачки нефти и газа	Создание локальных систем энергоснабжения на месторождениях. Применение технологий утилизации теплоты технологических потоков при переработке газа		Применение технологий производства жидких продуктов газохимии в районах добычи газа. Переход к технологиям использования непромышленных газов (азот, дымовые газы и др.) в качестве буферных объемов при подземном хранении газа. Переход к использованию резервуаров "с плавающей крышей". Применение объемных насосов для поддержания пластового давления на участках месторождений с низкопроницаемыми коллекторами. Переход к использованию поршневых компрессоров. Повышение качества внутренней поверхности магистральных и распределительных трубопроводов
Энергетика	Технологии автоматизированного и автоматического управления распределенными сетями и источниками генерации. Технологии систем кибербезопасности на объектах генерации и в сетях. Технологии цифровых ПС, кабельных линий высокой проводимости, эксплуатационной оптимизации топологии сетей	Парогазовые и газотурбинные технологии. Паросиловые технологии	Технологии возобновляемой энергетики	Технологии малой, локальной и распределенной энергетики. Технологии частотно-регулируемого привода на механизмах собственных нужд тяго-дутьевой группы, питательных и сетевых насосах. Технологии энергоэффективного освещения
Сельское хозяйство		Технологии малой тепло- и электрогенерации с использованием биогаза	Технологии гранулирования органических удобрений из отходов животноводства	Технологии энергосберегающего земледелия с применением колесной широкозахватной техники, комбинированных агрегатов, дискаторов, стерневых сеялок. Технологии "нулевой" обработки почв. Технологии капельного орошения
Цветная металлургия	Технологии радиометрической сортировки руд	Технологии автогенных процессов при переработке сульфидных руд: - плавка в жидкой ванне; взвешенная плавка; - кислородно-факельная плавка; - кислородно-взвешенная циклонно-электротермическая плавка. Технологии в печах "кипящего слоя"	Технологии использования вторичных цветных металлов	Технология предварительного обогащения полиметаллических руд в тяжелых средах. Добыча руды с применением циклично-поточной технологии

4.2. Организационные меры и принципы ведения технологических процессов

4.2.1 Автоматизация и информационные технологии

Для выявления проблемных участков технологической цепочки необходимо наличие достоверной информации о количестве потребляемой энергии на всех этапах производственного процесса. Разработка и внедрение на промышленных предприятиях автоматизированных систем контроля и учета энергоресурсов (АСКУЭ) позволяет повысить точности учета, локализовать места недоучета и энергетических потерь. Подсистема энергоэффективности общей автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) предприятия позволяет анализировать и управлять эффективностью потребления топливно-энергетических ресурсов в технологическом процессе в реальном времени.

Обобщенная структура энергоснабжения промышленного предприятия приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Структура энергоснабжения промышленного предприятия

Общая математическая модель энергопотребления промышленным предприятием может быть представлена в виде комплекса различных форм математических моделей, связанных между собой информационными связями.

Математическая модель энергопотребления предприятия позволяет определять наиболее оптимальные по энергоэффективности режимы работы технологических объектов, вычислять параметры для этих режимов, выявлять причинно-следственные связи в технологических процессах и определять динамику процессов потребления энергии во времени. Не существует одного единственного фактора, определяющего состояние всей энергосистемы. Условия эксплуатации постоянно меняются. Обеспечение энергоэффективности требует постоянного внимания ко всему комплексу факторов. Реализация оптимального управления энергоснабжением предприятия может быть осуществлена с помощью автоматизированной системы учета энергоресурсов.

Система диспетчерского управления энергохозяйством в рамках АСКУЭ представляет собой информационно-управляющую подсистему и включает, автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера (оператора).

Станции управления предназначены для отображения хода технологических процессов и оперативного управления. Эти задачи в настоящее время решаются посредством SCADA-систем. SCADA - это специализированное программное обеспечение (ПО), ориентированное на обеспечение интерфейса между диспетчером и системой управления, а также коммуникацию с внешними системами.

Новым направлением является использование технологий Big Data ("Большие данные") для оптимизации сложных технологических процессов.

В качестве примера эффективного повышения уровня автоматизации можно привести разработку математической модели коксовой батареи, что позволило увеличить равномерность нагрева коксового пирога за счет автоматической поддержки оптимальной длины факела в отопительных вертикалях коксовых батарей - эффект составил 105 МДж/т угольной шихты и 1 кг кокса /т чугуна.

Только полная инвентаризация оборудования позволит выявить наличие дополнительных тепловых возможностей, оценки их объема и температуры позволит создать сводный полный энергетический баланс предприятия, сэкономить энергоресурсы, уменьшить себестоимость продукции и улучшить рентабельность производства.

4.2.2 Оптимизация и управление термодинамическими параметрами процессов

Обобщим требования к управлению параметрами процессов, разделив их по управляемым параметрам.

1. Температура. Минимальное значение температуры в технологическом процессе обеспечивает:

- уменьшение процессов испарения жидких фаз и формирования аэрозолей, удаляемых из агрегатов и превращаемых в твердые частицы;

- сокращение процессов окисления серы, азота и прочих газообразных составляющих и превращение их в вредные соединения: оксиды азота, серы и т.д.;

- сокращение образования вредных органических соединений типа бенз(а)пирена и прочих;

- уменьшение превращения менее вредных соединений в более вредные;

- распад вредных соединений на простые элементы, не приносящих вред человеку;

- уменьшение температуры промежуточных, конечных продуктов, отходов, что уменьшает затраты энергии на их охлаждение;

- сокращение расходов на теплоизоляционные материалы на поддержание необходимой температуры в агрегатах;

- снижение расхода энергии на ведение технологического процесса;

- снижение расхода дополнительной энергии на поддержание микроклимата в помещении для обслуживающего персонала.

Пример. В процессе получения кокса большое значение имеет правильный температурный режим, что обуславливает расход газа и весь процесс получения кокса. Потребление коксового и доменного газа при получении 4 млн тонн кокса составит 309 тыс. тонн условного топлива и 165 тыс. тонн условного топлива, соответственно.

Поэтому большое значение имеет правильная организация движения газов, обеспечение равномерной температуры обогревательной стенки коксовой батареи, что позволяет достичь равномерного распределения качественных показателей кокса по всему объему камеры коксования.

Создание оптимального теплового режима коксовой батареи дает возможность установить рациональный расход топлива, сэкономить его потребление и уменьшить загрязнение атмосферы. Качество кокса определяет его реакционную способность в доменной плавке и определяет его расход в целом. Поскольку большое значение имеет качество кокса, его прочность, которая определяет общий расход кокса в доменной печи. Увеличение прочности кокса приводит к снижению его расхода в доменных печах, уменьшению себестоимости получения чугуна.

Сокращение расхода кокса дает возможность понизить энергетические затраты на его производства и улучшить качество окружающей среды. При повышении прочности кокса на 1% происходит снижение суммарного расхода топлива (кокс и природный газ) на 1,5 кг на тонну чугуна, а производительность доменной печи увеличивается на 0,3%.

В то же время возможность повышения максимальных значений температуры для ряда процессов обеспечивает прирост показателей эффективности.

Пример. Газотурбинные, паротурбинные, парогазовые энергетические циклы на ТЭС.

2. Давление. Соблюдение оптимального давления в агрегатах:

- позволяет уменьшить выбросы газов из агрегатов в окружающую среду, то есть формирование неорганизованных выбросов;

- снижает приток холодного воздуха в агрегаты, что исключает необходимость затрат дополнительного тепла и энергии для поддержания необходимой температуры в агрегате;

- создает условия для ведения технологического процесса с минимальным образованием вредных соединений;

- уменьшает потери промежуточной и конечной продукции при ее движении в промежуточных и конечных операциях;

- позволяет регулировать расход электроэнергии.

Например, в агломерационном производстве уплотнение вакуум-камер агломашины является действенным средством снижения удельного расхода электроэнергии и топлива. Неплотности газового тракта вызывают подсасывание холодного воздуха и понижение температуры агломерационного газа.

Увеличение объема газа приводит к дополнительным затратам энергии на дымососы. Усложняется каталитическая очистка газа.

3. Время ведения процесса. Сокращение времени ведения технологических циклов дает возможность:

- уменьшить затраты тепла и энергии на ведение процесса;

- сократить объем образующихся вредных соединений;

- уменьшить затраты энергии и материалов на нейтрализацию вредных соединений;

- создавать материалы, позволяющие получать минимальные отходы при их использовании при промежуточной и конечной обработке продукции;

- регулировать расход энергии на загрузку материалов, выдачу готовой продукции.

4.2.3 Технологические приемы

Добиться повышения эффективного использования энергии можно не только за счет внедрения новых технологических процессов или оборудования, но и за счет применения технологических приемов, обеспечивающих наиболее экономное расходование энергоресурсов.

К построению технологических процессов можно сформулировать следующие обобщающие требования:

1. Использовать рациональное количество шихтовых материалов и топлива, в т.ч. содержащих особо опасные элементы (1 и 2 класс опасности).

2. Добиваться минимизации всех отходов и их вторичное использование.

3. Уменьшать расходы энергии на всех этапах технологии.

Эти требования выполняются за счет:

1. Нормирования содержания вредных соединений в шихте и топливе.

2. Подбора рациональных величин расходных коэффициентов сырья, топлива, легирующих элементов.

3. Обеспечения минимальной температуры процесса, минимального времени протекания процесса, установление рациональной величины давления.

4. Отработки оптимальных схем ведения процесса.

5. Создания непрерывных процессов, уменьшающих число основных и вспомогательных операций.

6. Контроля, автоматизации и механизации процессов.

7. Создания технологических приемов для извлечения ценных компонентов из твердых отходов и вторичного использования отходов в промышленности, строительстве, быту.

8. Разработки менее энергоемких материалов для их использования в машиностроении, строительстве, транспорте и т.д.

9. Корректировки технологических параметров для уменьшения энергопотребления.

Аналогичные требования можно сформулировать и для оборудования:

1. Ведение процессов в закрытых агрегатах.

2. Наличие в агрегатах минимального количества основных и вспомогательных отверстий.

3. Наличие специальных устройств для передачи сыпучих материалов.

4. Проектирование минимального количества единиц оборудования для ведения процесса.

5. Создание агрегатов непрерывного действия с минимальным количеством вспомогательных устройств и механизмов для загрузки материалов, и металла, ведения процесса выгрузки готовой продукции.

6. Разработка надежного сочленения вспомогательных устройств и механизмов с промышленными агрегатами.

7. Монтаж минимального количества теплогенерирующих устройств и обеспечение надежной конструкции дымоотводящих трактов.

Ниже в качестве примера приводится обобщенный комплекс мероприятий, который в целом показывает подходы к энергосбережению и охране окружающей среды для химической промышленности.

Во-первых, это подготовка материалов (флотация руд, обогащение, изменение фазового состояния, повышение температуры самого материала) путем:

- использования отходящего тепла от технологических агрегатов;

- подбора оптимальных параметров технологического процесса;

- формирования шихтовых материалов с выделение тепла;

- герметизации оборудования и организованного отвода газов;

- локализации вредных соединений, образующихся в процессе подготовки материала к основному технологическому процессу.

Во-вторых, при организации основного технологического процесса, нужно предусмотреть:

1. Проведение инвентаризации всех тепловых отходов, образующихся отходов и источников загрязнения воздуха, устанавливая:

- место их образования;

- технические параметры оборудования и технологии;

- технические характеристики всех отходов;

- возможные методы и способы их вторичного использования по различным направлениям.

2. Составление технологических инструкций и разработка в них отдельных разделов по энергосбережению и охране среды с указанием приемов рационального использования энергии и способов сохранения качества окружающей среды.

3. Строгая регламентация технологических параметров, в первую очередь, определяющих минимальную температуру ведения процесса и установление рациональной величины давления в агрегате, что будет способствовать энергосбережению и уменьшению загрязнения окружающей среды.

4. Использование теплоносителей, образующихся в технологическом процессе:

- пара для ведения технологических операций;

- обработки растворов;

- плавления различных смесей;

- разогрева оборудования;

- нагрева шихтовых материалов и превращение их в парообразное состояние и

т.д.

- выделяющегося газа как дополнительного энергетического источника путем сжигания водорода и органических соединений, образующихся при протекании химических реакций;

- газа как теплоносителя при проведении определенных технологических операций;

- органических отходов, локализуемых путем их сжигания в камерных и других печах;

- теплого воздуха.

6. Использование тепла экзотермических смесей при их охлаждении для поддержания необходимой температуры проведения процесса в соответствующих агрегатах.

7. Использование тепла поступающих материалов на проведение технологического процесса при необходимости их предварительного охлаждения.

8. Использование тепла полупродукта в случае его охлаждения.

9. Использование тепла конечных продуктов при их охлаждении.

10. Совмещение технологических процессов в случае возможности утилизации тепла шихтовых материалов и направлении этого тепла на проведение основного технологического процесса, в котором участвует такой шихтовый материал, что ведет к исключению топлива из технологического цикла.

11. Подбор технологии, где исходный материал обладает горючими свойствами и исходным элементом проведения технологии.

12. Сбор попутного газа (, , и т.д.) и его вторичное участие в химических процессах.

13. Использование химических отходов.

14. Разработка технологических приемов по уменьшению образования и эмиссии вредных соединений в окружающую среду.

15 Локализация вредных выбросов в атмосферу и водоемы.

4.2.4 Рациональный выбор источника энергии в агрегатах, оптимизация процесса горения

Например, внедрение установок для вдувания пылеугольного топлива в доменные печи. Применение установки вдувания пылеугольного топлива позволяет значительно снизить расход кокса и природного газа, частично заменив их энергетическим углем, расход которого достигает 150 - 200 кг/т чугуна.

Достаточно существенным потенциалом энергосбережения обладают технологии повышения излучающей способности газового факела для интенсификации процессов в промышленных печах и котлах, поскольку непосредственно снижают расход первичного топлива при сжигании, которое применяется практически во всех отраслях промышленности. Например, подавляющее количество промышленных печей работают на природном газе. При его сжигании образуются дымовые газы, в состав которых входят преимущественно и . Они обеспечивают излучение факела в ограниченной части световых волн.

Задача состоит в том, чтобы увеличить диапазон излучения и повысить теплоотдачу газов нагреваемому теплу. Это можно сделать за счет дополнительного излучения частицами углерода, которые можно получить разложением части природного газа при высоких температурах и недостатке воздуха на горение. При сжигании природного газа различного состава в тех или иных топочных устройствах, можно добиться степени черноты факела в пределах 0,2 - 0,9, за счет карбюризации факела.

4.2.5 Непроизводственные затраты энергии

Для снижения издержек предприятия также необходимо учитывать возможности модернизации самих производственных помещений и оборудования вспомогательных производств, объектов инфраструктуры. Например, внедрение энергоэффективного освещения (в том числе уличного), систем инфракрасного отопления, утепление зданий и т.п.

Описанные в настоящем подразделе подходы и методы позволяют выделить НДТ, состоящую в организации оптимального контроля и управления системой потребления энергии и производственным процессом с использованием современных средств автоматизации.

4.3. Использование полной внутренней энергии

4.3.1 Утилизация тепловой энергии

Технические решения позволяют утилизировать бросовые энергетические потоки технологических процессов, тем самым снижая потребление первичных покупных энергоресурсов. Утилизированы могут быть: тепловая энергия выбросов, отходов, продукции, систем охлаждения генерирующего или печного оборудования (в т.ч. работающего периодически), химических реакторов и проч. Примеры источников утилизации тепловой энергии приведены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Возможные источники теплоты в промышленности и их использование: газы, тепло материалов и отходов

Вид производства	Тепловой процесс	Тепловые отходы и материалы
Металлургия
Коксохимия	Нагрев шихты	Коксовый газ
Агломерация	Нагрев шихты, охлаждение агломерата, нагрев воздуха	Аглогазы
Производство окатышей	Нагрев шихты, охлаждение окатышей	Отходящие газы
Доменное производство	Нагрев воздуха, нагрев и плавление шихты, химические реакции	Доменный газ, тепло металла, тепло шлака
Сталеплавильное производство, в т.ч.:
- мартен	Нагрев воздуха, нагрев и плавление шихты, подготовка ковшей	Дымовые газы, тепло металла, тепло шлака, тепло ковшей, тепло изложниц
- конвертор	Нагрев и плавление шихты, подготовка ковшей	Конверторный газ, тепло ковшей, тепло металла, тепло шлака, тепло изложниц
- электропечи	Нагрев и плавление металла, обработка ковшей, нагрев шихты	Дымовой газ, тепло металла, тепло шлака, тепло ковшей, тепло изложниц
Прокатное производство	Нагрев металла	Дымовые газы
Термическое производство	Нагрев металла, охлаждение металла	Дымовые газы
Машиностроение
Получение чугуна	Нагрев и плавление шихты, подготовка вспомогательного оборудования	Ваграночные газы, тепло металла
Ковка металла	Нагрев металла	Отходящие газы, тепло металла
Термическое производство	Нагрев металла, охлаждение металла	Отходящие газы
Гальваническое производство	Подогрев ванны	Пар
Энергетика
Получение пара	Нагрев котлов, подготовка воды, нагрев воздуха, перегрев пара	Отходящие газы, зола топлива
Получение энергии	-	Использование пара различного давления и температуры, конденсация пара, сбросное тепло градирен

О важности использования дополнительных источников тепла в промышленности можно говорить исходя, например, из анализа теплового баланса производства алюминия, который показал, что почти 50% тепловой энергии теряется или рассеивается в атмосфере.

Производство алюминия - энергоемкий процесс. На производство одной тонны алюминия расходуется примерно 15 МВт*ч энергии, в т.ч. 121 *МВт# ч на плавильные агрегаты. Дополнительно природный газ используется в различных дополнительных технологических операциях. Известно, что стоимость электроэнергии составляет около 40% от всех затрат на производство алюминия.

Поэтому, тепловые отходы - это важный аргумент в уменьшении этой величины, а также в сокращении общей стоимости алюминия. Тепловые отходы в алюминиевом производстве образуются в основном в процессах плавления и разливки металла. Компрессорные установки являются дополнительным источником тепловых потерь. Следует помнить, что перед скрубберной обработкой газы следует охлаждать, т.е. понижать их температуру примерно с 600 до 100°С.

В этом случае образуется огромный тепловой резерв, который можно использовать как на самом предприятии, так и вне его.

В общем тепловые потери образуются:

- в контурах компрессорных установок;

- при охлаждении литья водой;

- при отводе газов от промышленных установок;

- от горячих поверхностей печей и литейных установок;

- при контроле за технологическими операциями;

- от горячих стенок миксера и другого вспомогательного оборудования;

- в процессе разливки металла;

- при изготовлении вспомогательных материалов;

- с потерей энергии шлаками, шламами, сточными водами.

Тепловые потоки от горячих поверхностей металлургического оборудования так же представляют определенный интерес. Теплый воздух, извлекаемых из различных секций печи, содержит 4,1 МВт тепла. Температура такого воздуха вдоль всей печи меняется от 400 до 600°С, а в редких случаях достигает больших величин.

Если воздух собирать в единый коллектор, можно получить температуру не менее 300°С. При помощи разработанных технических решений, рамп особой конструкции, можно получить дополнительно 2 МВт тепла.

В общем, литейные установки теряют значительное количества тепла. Такое тепло при работе 10 установок в течение 24 часов составит 4,2 .МВт# Температура отводящих тепловых потоков может достигать 600°С. Возможно использовать, как минимум 50% энергии с помощью теплообменников, получая дополнительно 2 МВт энергии. Подобное производство требует работы 5 воздушных компрессоров, где в системе охлаждения теряется около 2,5 МВт тепла или 22 тыс МВт*ч тепла в год.

Таким образом, на описываемом гипотетическом заводе при использовании тепловых потоков можно генерировать 10 МВт энергии. На промышленных предприятиях дополнительное утилизированное тепло можно направлять на подогрев шихты; воздуха, газа, идущих на горение; воды для технологических нужд и т.д., для чего нужно разработать комплексную схему учета всех тепловых отходов.

Нефтеперерабатывающие заводы также имеют объекты, которые интенсивно охлаждаются. По экспертным оценкам на одном заводе такого профиля можно утилизировать около 60% тепла с температурой менее 200°С. Циркуляционная вода имеет температуру до 100°С. Она питает котельные установки. Вода поступает от установок по обработке сырой нефти, вакуумных фракционных систем и имеет температуру 100 - 140°С, т.е. в процессе технологического цикла образуется пароводяная смесь.

В числе устройств, где можно утилизировать тепло, входят емкости по получению самой разнообразной продукции. Это керосин, бутан и другие составляющие нефтехимического производства. Примеры источников тепловой энергии приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Промышленные источники тепловой энергии

Источники	Температура,°С
Низкотемпературные источники тепла
Паровая конденсация	70 - 100
Водоохлаждаемые системы: - печные заслонки - воздушные компрессоры - насосы - воздушные кондиционеры и холодильники	50 - 70 45 - 100 45 - 65 50 - 60
Процессы затвердевания	50 - 250
Процессы ожижения	50 - 250
Сушилка, процессы приготовления пищи	110 - 250
Жидкостные конденсаторы	50 - 100
Охлаждение опор	50 - 100
Охлаждение сварочных агрегатов	50 - 100
Инжекционные формовочные машины	50 - 100
Обжиговые печи	80 - 250
Установки формовочных штампов	80 - 250
Конечные твердые продукты	110 - 250
Конечные жидкие продукты	до 220
Сушильные установки	110 - 250
Печи для приготовления продуктов различного назначения	110 - 250
Экономайзеры	80 - 90
Теплообменники	55 - 60
Установки кузнечного прессового оборудования	45 - 65
Двигатели внутреннего сгорания	80 - 140
Среднетемпературные источники тепла
Бойлер	250 - 500
Газотурбинная установка	400 - 600
Термическая печь	400 - 660
Сушильная печь	250 - 600
Печь для получения катализаторов	440 - 600
Высокотемпературные источники тепла
Печь для получения никеля	1400 - 1700
Печь для получения алюминия	600 - 770
Печь для получения цинка	770 - 1100
Печь для получения меди	770 - 810
Мартеновская печь	660 - 720
Печь для получения цемента	640 - 750
Стекловаренная печь	1000 - 1600
Водородная установка	660 - 1000
Мусоросжигательная печь	600 - 1000

Как следует из рассмотрения таблицы 4.4, перечисленные источники тепла в промышленности имеют огромный энергетический потенциал. Он может быть использован для нагрева сырьевых материалов, газа, воздуха.

Известно, что на одном и том же промышленном агрегате может образоваться как высокотемпературный источник (например, дымовые газы), так и низкотемпературный (например, вода для охлаждения арматуры печей). В настоящее время использование высокотемпературных энергоносителей на практике, как правило, уже отработано. Это в основном теплообменники различной конструкции для нагрева газа, воздуха, воды. Высокопотенциальную тепловую энергию целесообразно использовать в виде пара, т.е. источником пара на промышленных предприятиях должны являться не паровые котлы, а высокотемпературные технологические агрегаты.

Например, в РФ по статистике лишь около 30% кокса на коксохимическом производстве тушится сухим способом, в результате этого физическая тепловая энергия горячего кокса используется не более чем на 30%. Применение сухого тушения приводит к снижению потерь тепловых ВЭР горячего кокса, т.к. тепловая энергия, полученная циркулирующими газами, используется для выработки пара в котлах-утилизаторах (КУ).

На российских металлургических комбинатах этот пар не всегда полностью используется для выработки электроэнергии на теплоутилизационных электростанциях в связи с низкими параметрами (4 МПа, 440°С). Хотя, например, на одном отечественном заводе существует ТУЭС мощностью 16 МВт с турбинами ПТ-12-35/10 и Р-4-35/15. За рубежом эксплуатируются УСТК производительностью по коксу от 50 до 260 т/ч, производимый в результате пар с параметрами 410 - 540°С и 3,8 - 11,5 МПа позволяет вырабатывать от 18 до 30 МВт электрической мощности.

Еще один пример эффективной утилизации тепловой энергии - использование подогретого природного газа, что повышает результативность технологического процесса, исключается расход воды, охлаждающей кожух печи, что так же дает экономию энергетических средств, связанных с подачей воды и доведения ее до определенного качества.

Оценка влияния подогрева природного газа на процесс его горения в фурме доменной печи показали, что с увеличением температуры подогрева природного газа на входе в поток дутья до 300°С содержание метана в струе газа на выходе из фурмы уменьшается с 3,1 до 2,2%. Подогрев природного газа дает возможность сократить расход воды на охлаждение доменной печи на 400 тыс.  в год.

Суммарное сокращение энергозатрат на выплавку чугуна при подогреве природного газа достигается благодаря:

- сокращению потерь тепла с охлаждающей водой воздушных фурм; сокращению расхода газа и, следовательно, затрат на добычу угля,

- обработку его в коксовых печах и очистке коксового газа в специальных устройствах;

- повышению полноты сгорания природного газа;

- увеличению степени использования водорода в результате более

- равномерного распределения по сечению печи;

- за счет увеличения температуры дутья на 130°С и подогрева природного газа на 200°С и более расход кокса в доменных печах может быть сокращен на 71 кг/т чугуна.

Следует отметить, что отвод и потеря тепла охлаждающей водой происходит в мартеновских, нагревательных, электро-, ферросплавных печах черной металлургии. Шахтные и плавильные печи цветной металлургии, вагранки машиностроения, высокотемпературные печи химического и других производств так же теряют свое тепло за счет охлаждения водой. Поэтому, если их полые поверхности использовать как нагревательный элемент, тогда можно нагревать воздух и газ, используемые как генератор тепла в технологическом процессе. В таблицах 4.6 - 4.8 показаны потери тепла в печах с охлаждающей водой и потенциал энергосбережения при их утилизации.

Таблица 4.6 - Потери тепла нагревательными печами прокатных станов с охлаждающей водой

Печи	Средняя производительность печи при холодной садке т/час	Среднее количество тепла, поданного в печь, мг*ккал/ч	Потери тепла с охлаждающей водой
			мг*ккал/ч	на 1 т тыс. ккал	%
Крупносортных станов (900 - 700)	60	20	6,0/3,0	100/50	30/15
Листопрокатных станов (2800 - 2250)	50	30	7,0/2,0	140/40	23/7
Среднесортных станов (600 - 500)	40	20	3,75 - 2,25	93/56	19/11
Мелкосортных станов (400 - 250)	20	15	2,0/1,35	100/67	13/9

Таблица 4.7 - Потери тепла с охлаждаемой водой

Емкость печей, т	Производительность печи, т/час	Потери тепла с охлаждающей водой на 1 т металла, мг*ккал/ч		Потери тепла, %
		на печь	на элемент, переведенный на пароиспарительное охлаждение	на печь	на элемент, переведенный на пароиспарительное охлаждение
35	5	0,29	0,24	17,0	13,9
50	6,3	0,24	0,19	16,0	12,4
70	8,0	0,2	0,16	13,8	11,0
90	9,7	0,29	0,25	21,0	17,8
125	12,6	0,23	0,19	17,8	14,7

Таблица 4.8 - Приход тепла и потери его с охлаждающей водой для газовых мартеновских печей

Емкость печи, т	Производительность печи, т/ч	Приход тепла с топливом, ккал/ч		Потери тепла с охлаждающей водой, ккал/ч				Потери тепла, %
		средний на печь	на 1 т металла	на печь	на элементы, переведенные на испарительное охлаждение	на 1 т металла		на печь	на элементы, переведенные на испарительное охлаждение
						на печь	на элементы, переведенные на испарительное охлаждение
35	4,8	7,8	1,8	2,15	1,83	0,50	0,43	27,6	23,6
50	5,5	8,8	1,6	2,28	1,99	0,42	0,36	26,0	22,6
70	7,1	10,6	1,5	2,49	2,15	0,35	0,29	23,6	20,0
90	8,6	12,0	1,4	3,70	3,22	0,43	0,37	31,0	27,0
125	12,6	15,1	1,2	3,89	3,29	0,81	0,26	25,6	21,8
185	16,6	19,1	1,15	4,15	3,41	0,25	0,20	21,6	17,9
250	19,4	21,4	1,1	4,25	3,44	0,22	0,18	20,0	16,1
370	27,4	27,4	1,0	4,79	3,72	0,17	0,14	17,3	13,6
500	36,8	33,0	0,9	5,02	3,88	0,14	0,11	15,2	11,8

Даже при переводе охлаждения печей на пароиспарительное, потери тепла составляют до 25%. Таким образом, тепло, уносимое охлаждаемой водой, является дополнительным источником для нагрева материалов, используемых в технологическом цикле.

Таблица 4.9 - Утилизация тепловой энергии в металлургии

Энергоэффективные объекты и технологии	Качественная характеристика объекта, обуславливающая его высокую энергетическую эффективность
Блок воздухонагревателей доменной печи	Наиболее эффективная утилизация вторичных энергоресурсов за счет нагрева дутья для доменных печей с помощью смеси природного и попутных металлургических газов (доменный, коксовый); (снижение удельного расхода условного топлива на тыс. куб. м дутья до 72 - 80 кг у.т./тыс. куб. м)
Установка сухого тушения кокса	Эффективная утилизация технологического тепла раскаленного кокса для выработки пара, с последующим его использованием на технологические нужды или для производства электроэнергии
Установка для утилизации тепла раскаленного доменного и конвертерного шлака, отходящих дымовых газов, топливных газов или вторичного пара	Полезное использование технологического тепла раскаленного доменного или конвертерного шлака для выработки пара или тепловой энергии, с последующим его использованием на технологические нужды или производства электроэнергии
Установки, предназначенные для утилизации тепла отходящих газов электросталеплавильных печей	Утилизация тепла дымовых газов электросталеплавильных печей использование газокислородных горелок, автоматических устройств перепуска электродов, минимизации времени загрузки шихтовых материалов и автоматизации процесса ведения плавки (удельный расход электроэнергии на тонну выплавленной стали на 15 - 25% ниже)
Установка для утилизации отходящего тепла агломерационных машин и охладителей агломерата	Снижение расхода газообразного и твердого топлива за счет утилизации тепла горячего агломерата и подачи нагретого воздуха от охладителя агломерата в слой шихты и на подогрев воздуха горения
Установка по сбору, хранению и транспортировке конвертерного газа	Использование вторичного металлургического газа в качестве топлива для снижения расхода природного газа вместо сжигания на свечах, утилизация тепла конвертерного газа для выработки тепловой и электрической энергии
Установка утилизации тепла отходящих газов печей производства ферросплавов	Утилизация тепла дымовых газов печей производства ферросплавов с выработкой тепловой энергии
Установки колпаковых печей термообработки проката трансформаторных и углеродистых марок стали в водородной и азото-водородной атмосфере	Существенно более эффективный нагрев заготовок (рулонов) за счет использования нагревателей и горелок, систем охлаждения и автоматизации, теплоизоляционных материалов и конструктивных решений в сравнении с печами предыдущего поколения типа СГВ
Установки для производства извести и доломита с подогревом сырья отходящими дымовыми газами	Утилизация тепла дымовых газов печей производства извести, доломита для подогрева исходного сырья и снижения расхода топлива на производство продукции
Обжиговая машина конвейерного типа для обжига сырых железорудных окатышей.	Производство железорудных окатышей, являющихся сырьевым материалом для производства чугуна в доменной печи с расходом газообразного топлива не более 11 кгут/т
Печи нагревательные и термические	Высокие показатели энергоэффективности обеспечиваются следующими конструктивными особенностями современных нагревательных печей: - применением современных горелочных устройств; - применением систем автоматизации; - использованием высокоэффективных изолирующих материалов футеровки; - сокращением длительности нагрева заготовок; - нагревом воздуха горения до 500°С в рекуператоре; - оптимальным распределением тепловой мощности печи по зонам при нагреве металла; - обеспечением высокой газоплотности печи; - снижением угара металла до 0,7%; - обеспечением равномерного нагрева слябов по толщине и ширине. Удельный расход газообразного топлива на нагрев заготовки не более 55 кг у.т./т

4.3.2 Источники низкопотенциальной энергии

Источники низкопотенциальной энергии от множества технологических агрегатов пока не нашли широкого применения в промышленности. Это тепло воды, охлаждающей арматуру печей, тепло внешней поверхности печей, тепло воздушных потоков, циркулирующих в межпечном пространстве.

Энергетические объекты сбрасывают тепло воды, которая охлаждается на градирнях, поступает в оборотные системы воды и теплоснабжения. Большое количество вспомогательного оборудования в металлургии, машиностроении, химии, имеющую высокую температуру стенок, охлаждаются на воздухе, их тепло рассеивается в атмосфере. Это разливочные ковши, формы для затвердевания металла и т.д.

Значительные тепловые потоки образуются при остывании промежуточной и конечной продукции, при остывании жидких и твердых отходов производства (шлаки, шламы). Их тепло пока не утилизируется в полной мере.

Большое количество производственных газов формируется в химической промышленности. Они нередко выбрасываются в атмосферу, отдавая свое тепло окружающему воздуху. Необходимо обращать внимание на низкопотенциальное тепло энергетического оборудования.

Оно образуется при работе насосов, компрессоров, двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин, отдельные конструкции которых требуют охлаждения. В качестве хладагентов используется вода, воздух, масло, химические смеси. Их температура невысока, однако такое тепло можно использовать в практических целях.

В ряде случаев вода является участницей технологического процесса. Например, гидросбив в прокатном производстве. Она нагревается и сбрасывается в производственную сеть - ее тепло целесообразно утилизировать. При термической обработке металла, разделение смесей в нефтехимии, извлечение отдельных компонентов из смесей в химическом производстве образуется низкопотенциальное тепло. И таких примеров можно провести много.

Тепловые насосы - одно из средств, дающее возможность утилизации тепла тепловых отходов, в первую очередь - с низкой температурой. Для теплонасосных установок могут быть использованы различные источники энергии: низкопотенциальные ВЭР в виде пара и горячей воды, обратная сетевая вода систем теплоснабжения, уходящие газы котлов и технологических агрегатов, сточные воды, морская и речная вода, грунт и грунтовые воды и т.д.

Наиболее эффективно ТНУ могут применяться при замене водогрейных электрокотлов. Коэффициент трансформации мощных ТНУ находится в диапазоне 2,5 - 5.

Существует множество примеров использования ТНУ на производстве. Летом для обеспечения заданной температуры обратной воды и коксового газа в летний период, зимой - для работы в системе теплоснабжения комбината. Источником энергии для них может являться ВЭР коксохимического производства, значительная часть которого используется неэффективно, а в летний период большей частью теряется.

Другой пример: на одном из предприятий стекольной промышленности тепловой насос использует тепловые отходы от линии воздушных компрессоров. Полученное тепло используется для снабжения производственных участков горячей водой и других целей. В результате значительно сокращается использование природного газа. Создана циркуляционная водяная система, где тепло воды используется в испарителе. Охлаждаемая вода направляется к воздушному компрессору.

Второй процесс - оборотная вода подводится к конденсатору теплового насоса и увеличивает температуру горячей воды для отделочных работ стекольного производства.

Тепловые насосы могут использоваться и в энергетике, например, для решения проблемы снижения эффективности работы парогазовых установок (ПГУ) в летнее время (из-за падения мощности газотурбинной установки (ГТУ) при высоких температурах наружного воздуха, поступающего в компрессор) можно использовать в системе охлаждения компрессорного воздуха абсорбционный бромистолитиевый насос (АБТН).

В теплый период года АБТН переводят в режим абсорбционной холодильной машины (АБХМ), а в отопительный сезон - в режим теплового насоса (АБТН). Насос работает за счет тепловой энергии, круглогодично отводимой от сжатого воздуха (между ступенями компрессора).

В режиме АБХМ это позволяет получить два тепловых потока: охлаждение воздуха на входе в компрессор и подогрев топливного газа, горячей воды. В зимнее время воздух на входе в компрессор нуждается не в охлаждении, а напротив, в нагреве для предотвращения образования инея и наледи во входном патрубке. В результате работы по такой схеме полезная мощность ГТУ увеличивается на 23% (относит.), а КПД - на 4,6% (относит.).

При увеличении температуры атмосферного воздуха и включении АБХМ мощность и КПД установки не только не снижаются, как это обычно наблюдается у всех ГТУ, а напротив, увеличиваются.

Также тепловые насосы эффективно использовать для отопления как производственных помещений, так и объектов за пределами предприятия, при размещении ТНУ на объектах и обеспечении низкопотенциальным теплом. Такое решение позволяет не только утилизировать тепловые отходы, но и исключить или сократить затраты на создание и эксплуатацию дополнительных источников теплоснабжения.

4.3.3 Использование скрытой теплоты фазового перехода и энергии химических реакций

Пароиспарительное охлаждение различных конструкций высокотемпературных агрегатов - это уникальный способ, дающий возможность получать пар, одновременно охлаждая различные детали печей.

В случае испарительного охлаждения печей используется скрытая теплота парообразования для отвода тепла от охлаждаемых деталей. Холодная охлаждающая вода заменяется кипящей пароводяной смесью, коэффициент теплоотдачи которой значительно выше.

Создается возможность создавать различные энергетические циклы при использовании пароиспарительного охлаждения деталей печей. Пароиспарительное охлаждение дает возможность получить пар в металлургии, машиностроении, химии, там, где ведутся технологические процессы с высоким температурным уровнем. Агрегаты, где можно охлаждать детали и получать пар, достаточно разнообразны. Это печи кипящего слоя сернокислотного производства; доменные, мартеновские электропечи черной металлургии; шахтные, плавильные, фьюминговые печи цветной металлургии; вагранки в машиностроении и т.д.

Получать пар можно при охлаждении высокотемпературных газов, например, конверторных в черной металлургии. Пар практически получается при охлаждении всех внешних поверхностей высокотемпературных агрегатов. Пар образуется при охлаждении шахты доменных печей, фурменных приборов, клапанов воздухонагревателей. В мартеновский печах источником пара являются кессоны, пятовые балки, рамы, где вода испаряется при прохождении этих деталей.

В методических печах прокатного производства системами пароиспарения задействованы опорные трубы, пятовая балка. Вагранки дают пар при охлаждении их шахт. Утилизировать можно и конденсат, например, установка паровых конденсатоотводчиков на газонагревателе коксовых батарей с обеспечением возврата конденсата дает энергосберегающий эффект 12 МДж/т кокса (пар). Примеры технологических источников пара в отраслях промышленности приведены в таблице 4.5.

Таблица 4.5 - Источники выделения пара и возможного использования в различных технологиях, в том числе пароиспарительное охлаждение

Конечный продукт	Химическая формула	Выделение и использование
Сода		Разложение при температуре 175°С, сушка
Сульфат аммония	(экзотермическая реакция)	Вакуумная выпарка, сушка
Фосфаты: натрия и другие		Нагрев смеси, вакуумная кристаллизация, сушка
Цианистый водород	HCN с участием	Получение вторичных энергоресурсов
Акрилонитрил	с участием	Сушка, температура основного процесса 400°С
Хлористый аммоний		Температура процесса 100°С, вакуумная кристаллизация, сушка
Хлористый калий	KCI	Подогрев раствора до 100°С, вакуумная кристаллизация, сушка
Мочевина	-	Температура процесса 190°С в автоклаве, кристаллизация
Фтористая кислота	HF	Пар на технические нужды
Каустическая сода	NaOH с участием	Процесс испарения
Сульфат натрия		По одному из вариантов технологии кристаллизация, сушка
Хромат и дихромат соды	,	Кристаллизация, сушка
Сульфат натрия		Нагрев автоклава, кристаллизация, сушка
Уксусный ангидрид		Нагрев реактора, выпаривание, конденсация
Сульфат алюминия		Температура процесса 105°С, процесс испарения
Карбонат бария		Кристаллизация, сушка
Борная кислота		Подогрев компонентов, вакуумная кристаллизация
Сероводород		Получение парообразных веществ при сжигании
Водород		Пар для проведения процесса
Хлористый натрий	NaCI	Процесс выпарки
Соли брома	KBr	Прокаливание, упаривание
Бромистый аммоний		Упаривание, охлаждение
Соли йода	KJ	Пар на отогрев агрегата, выпаривание
Соли магния		В зависимости от варианта технологии: нагрев, прокаливание отжиг
Соли бария: карбонат натрия		Кристаллизация, сушка
Пиросульфат натрия		Нагрев паром, выпарка
Тиосульфат натрия
Сульфат аммония		Выпарка в вакууме
Плавиковая кислота		Нагрев, вакуумирование, сушка
Арсенат кальция		Нагрев до 50°С, сушка
Арсенат натрия		Нагрев, упаривание, сушка
Оксид мышьяка		Подогрев, вакуумирование, фильтрация, сушка
Мышьяковая кислота		Подогрев, вакуумирование, фильтрация, сушка
Гидрат кальция		Нагрев
Цианистый натрий	NaCN	Нагрев, кристаллизация, сушка
Ортофосфат натрия		Нагрев компонентов, подогрев, смешение
Сульфат алюминия		Подогрев, испарение
Анилин		Нагрев автоклава
Бутилацетат		Нагрев реактора паром t = 90°С

С учетом описанных в данном подразделе подходов, к НДТ могут быть отнесены для предприятий, где это применимо:

- утилизация тепловой энергии выбросов, отходов, продукции, систем охлаждения;

- оптимизации термодинамических параметров производственного процесса, в том числе теплоизоляции объектов с повышенной температурой.

4.4. Использование отходов производств

Отметим, что не только продукция, или технологические процессы могут служить источником энергии. Отходы производств тоже могут являются ценным ресурсом как сырьевым, так и топливным. Эффективность переработки и энергетическая ценность как топлива некоторых видов отходов представлены в таблице 4.10.

Таблица 4.10 - Энергетические показатели отходов

Вид отходов	Теплота сгорания, ГДж/т	Эффективность переработки, %
Пластик	34,2 34,2 34,2
Бумага	11,0 11,0 11,0
Резина (муниципальный отход)	26,0 26,0
Резина (промышленный отход)	31,0 31,0
Древесина	8,0 8,0 8,0 8,0
Картон	25,0	70
Термореактивные смолы	45,0	70

Примечания:

1 - сжигание спрессованных отходов, 2 - сжигание в насыпном слое, 3 - пиролиз, 4 - сжигание мелких фракций, 5 - газификация.

Из рассмотрения таблицы следует, что существенное количество теплоты можно получить сжиганием отходов. Для этого нужно организовать их сбор и создать оборудование для этих целей.

Целлюлозно-бумажное производство является источником вторичного сырья (биомассы), способного покрывать значительную часть собственных потребностей в энергоносителях. Еще одним направлением кардинального снижения энергоемкости является использование вторичного волокна (макулатуры).

Одним из интересных проектов, реализующемся в настоящий момент является использование отходов нефтепереработки (нефтяной кокс) в качестве топлива для находящейся рядом ТЭЦ. На установке глубокой переработки тяжелых остатков нефти одного из НПЗ принята схема с использованием технологии замедленного коксования, в качестве остатка нефтепереработки получается нефтяной кокс. На ТЭЦ ведется перевод основного котельного и котельно-вспомогательного оборудования на технологию факельного сжигания нефтяного кокса, в виде пылевидного топлива, с получением электрической и тепловой энергии.

Промышленные отходы в виде золы и шлаков от сжигания твердых видов топлива (уголь разных видов, горючие сланцы, торф) на ТЭС являются перспективным сырьем. Химический и минералогический состав зольных и шлаковых отходов подходит для производства строительных материалов, использования в дорожном строительстве, в производстве удобрений. Перспективной является глубокая (комплексная) переработка золошлаковых отходов с получением глинозема, кремнезема, концентрата железа и целого ряда редкоземельных материалов.

Следовательно, практически для всех предприятий (и прежде всего - для объектов I категории) НДТ состоит в повторном использовании отходов технологического процесса и уменьшении их количества.

4.5. Топология систем и инфраструктурные проекты

4.5.1 Эффект масштаба

Сокращение удельного энергопотребления при увеличении объемов производства является обычным явлением и связано с двумя факторами:

- при более высоких объемах выпуска производственное оборудование используется на протяжении более длительных периодов, а периоды простоя становятся короче. Некоторые виды оборудования должны функционировать постоянно, даже в периоды, когда не производится никакой продукции. С увеличением объемов производства длительность таких непроизводительных периодов уменьшается;

- существует базовый уровень энергопотребления, не зависящий от степени загрузки производственных мощностей. Это потребление связано с энергозатратами на запуск оборудования и поддержание его необходимой температуры, использованием освещения, систем вентиляции, офисного оборудования и т.п. Энергозатраты на отопление помещений зависят, главным образом, от температуры наружного воздуха, а не от степени загрузки мощностей. При больших объемах производства эти постоянные затраты будут распределены по большему количеству единиц (тонн) продукции.

Укрупнение единичных мощностей технологических установок нефтепереработки в сочетании с комбинированием процессов может дать значительный эффект. Комбинирование процессов в одном блоке, где совмещены стадии вакуумной разгонки мазута, крекинга газойля, висбрекинга гудрона и газофракционирования позволяет в 2 - 3 раза сократить потребление пара, на 60% уменьшить расход топлива и более чем в 10 раз сократить расход охлаждающей воды. Теплота пиролизного и дымовых газов при этом используется для выработки пара в котлах-утилизаторах, с помощью которых приводятся в действие компрессоры и насосы этого же агрегата.

Также проекты по технологической кооперации источников тепло- и электроэнергии с крупными потребителями несут значительный потенциал энергосбережения, что в комплексе дает синергетический эффект, например, сбор и прием возвратного конденсата от внешних потребителей пара ТЭЦ.

4.5.2 Повышение эффективности электродвигателей

Электропривод является одним из основных потребителей электрической энергии для многих производств.

1. Использование энергоэффективных электродвигателей.

Начальные затраты на приобретение такого двигателя могут быть на 50 - 100% выше по сравнению с традиционным оборудованием при мощности менее 15 кВт, но при этом может быть достигнуто энергосбережение в размере 2 - 8% от общего энергопотребления.

2. Выбор оптимальной номинальной мощности электродвигателей.

Очень часто номинальная мощность электродвигателя является избыточной с точки зрения нагрузки - двигатели редко эксплуатируются при полной нагрузке. При нагрузке ниже, чем 40% номинальной, условия работы двигателя существенно отличаются от оптимальных, и КПД снижается очень быстро.

3. Использование электроприводов с переменной скоростью. Использование приводов с переменной скоростью, представляющих собой сочетание электродвигателя с регулирующим устройством, способно привести к значительному энергосбережению, связанному с более эффективным управлением характеристиками технологического процесса.

4. Использование передач/редукторов с высоким КПД. Передаточные механизмы, включая валы, ремни, цепи и зубчатые передачи, требуют надлежащей установки и технического обслуживания. При передаче механической энергии от двигателя к исполнительному устройству имеют место потери энергии, которые могут варьироваться в широком диапазоне, от 0 до 45%, в зависимости от конкретных условий.

По возможности следует использовать синхронные ременные передачи вместо клиновидных передач. Зубчатые клиновидные передачи являются более эффективными, чем традиционные клиновидные. Косозубая цилиндрическая (геликоидальная) передача является значительно более эффективной, чем червячная. Жесткое соединение является оптимальным вариантом там, где его применение допускается техническими условиями, тогда как применения клиновидных ременных передач следует избегать.

5. Ремонт и перемотка электродвигателя с обеспечением энергоэффективности или замена на энергоэффективный электродвигатель.

Перемотка двигателей широко практикуется в промышленности. Это более дешевый и во многих случаях более быстрый вариант, чем приобретение нового двигателя. Однако перемотка двигателя может привести к снижению его КПД более чем на 1%.

Следует уделить должное внимание процессу ремонта и выбору ремонтной организации, которая должна быть авторизована производителем двигателя.

Принимая во внимание представленные аргументы, к НДТ следует отнести применение инфраструктурных и технологических приемов повышения энергоэффективности.

4.6. Энерготехнологическое комбинирование, модернизация технологий

В настоящее время большие резервы повышения эффективности находятся в производственных процессах. Особенно это видно при протекании химических реакций при производстве кислот, солей и других веществ, где проходят тепловые процессы с выделением или поглощением тепла.

К примеру, по традиционной схеме получения серной кислоты, в каждом промежуточном цикле образуется избыточная теплота. Это относится к процессу сжигания серы или серного колчедана, получению серного и сернистого ангидрида.

Из теплового баланса получения серной кислоты видно, что при сжигании серы образуется 650 ккал тепла, при этом для формирования необходимо 219 ккал тепла. В контактной башне образуется серная кислота, которая содержит только 50 ккал тепла, имеется достаточное количество избыточного тепла в процессе получения .

Известно, что серная кислота является начальной составляющей производства соляной кислоты. Если получение серной кислоты достаточно сложный процесс, требующий большой территории, то для получения соляной кислоты достаточно одной муфельной печи.

При совместном производстве двух указанных кислот в одном производственном цикле, на одной территории возможно избыточное тепло сернокислотного производства использовать для получения соляной кислоты. Такой принцип построения технологий позволяет соединять эндо- и экзотермические процессы, исключая при этом использование топлива или существенно сократить его потребление.

В коксохимическом переделе термическая обработка угля дает кокс и газы, в которых содержатся различные химические соединения, в том числе и водород, который составляет 60% объема коксового газа.

Из 140 коксового газа можно получить 60 высококачественного водорода. Использование водорода может быть комплексным: часть направляется на ТЭЦ для получения тепла и энергии, определенное количество - является сырьем для получения аммиака. Водород также может служит восстановительным газом в металлургической технологии.

В настоящее время химическая промышленность позволяет пересмотреть подходы к формированию современных технологических процессов с целью уменьшения или исключения традиционного топлива из технологического цикла и сокращения выбросов галогенных углеводородов и других соединений. Поставленную задачу можно решить, если генератором энергии будет один из исходных материалов, при производстве которого выделяется тепло.

Это тепло следует использовать для основных химических реакций, куда нужно подавать тепло. В этом случае необходимо:

1. Оценивать характер химических реакций, протекающих при образовании исходных и конечных материалов.

2. Сочетать использование исходных материалов и формирование конечного продукта таким образом, чтобы при получении исходного материала шли процессы выделения тепла, а при получении конечных материалов - поглощение тепла, в результате чего не используется дополнительное топливо.

3. Оценить тепловые потенциалы исходных материалов и процесса получения конечных продуктов.

4. Проектировать получение исходных материалов и конечных продуктов в одной технологической схеме и на одном производственном комплексе.

5. Использовать все тепло, полученное при образовании исходного материала как для подогрева всех компонентов конечных химических реакций, так и для ведения основного технологического процесса.

6. По возможности, использовать начальный продукт как источник сырья, так и как источник тепловой энергии.

7. Все составляющие конечного продукта использовать в различных технологиях.

8. Все тепловые и материальные отходы утилизировать.

9. Образующиеся вредные соединения нейтрализовать.

10. Создавать оборудование и технологии для реализации изложенной схемы процесса.

Примеры использования сырья как источника энергии для технологического процесса приведены в таблице 4.11. В перечисленных в таблице 4.11 процессах сера является источником получения серной кислоты, при образовании которой в ряде технологических операций образуется тепло. Сера может служить источником тепла при ее сжигании для выполнения промежуточных операций. Серная кислота является катализатором для получения других веществ.

Таблица 4.11 - Использование химических элементов в качестве сырья и источника энергии в технологических процессах

Химический элемент	Способ использования	Исключаемое топливо	Технологическая операция	Калорийность элемента, ккал/кг
Сера, сырьевой материал и источник тепла*	Совместное производство серной и соляной кислот	Природный газ	Получение тепла горения серы для обогрева печи, где образуется соляная кислота	2200
	Совместное производство серной и фтористой кислот
	Совместное производство сульфата бария и серной кислоты
	Совместное производство хромата, бихромата соды и серной кислоты
	Совместное производство ортофосфата натрия и серной кислоты
	Совместное производство борной и серной и кислот
	Совместное производство серной кислоты и сероуглерода
	Совместное производство серной кислоты и одного из веществ: бутилацетата, бутилена, капролактама, ацетилцеллюлозы и т.д.
Фосфор, сырьевой материал и источник тепла	Совместное производство серной кислоты и одного из веществ: бутилацетата, бутилена, капролактама, ацетилцеллюлозы и т.д.	Природный газ	Выпарка раствора
	Фосфорная кислота и фтористоводородная кислота	Природный газ	Нагрев смеси
	Метафосфат натрия	Природный газ	Нагрев смеси
	Триполифосфат натрия	Природный газ	Сушка продуктов
	Пирофосфат калия	Природный газ	Сушка продуктов
	Фосфорная кислота	Природный газ	Нагрев смеси
	Другие технологические операции с участием фосфорной кислоты, где с выделением тепла и образованием фосфатов	Природный газ	Выполнение технологических операций
Аммиак	Аммиак и азотная кислота	Природный газ	Технологические операции по подогреву исходных материалов и изменения их фазового состояния, проведение основного процесса, сушка продуктов	18600
	Аммиак и получение одного из перечисленных продуктов: полиуретаны, полиамиды, нитраты и нитриты, карбонат аммония, уротропин, тротил, аммонаты, анилин, нитробензол, нитрофос, аммиачная селитра, жидкие удобрения, меламин, сода, мочевина, смолы, гидразин и т.д.

Химические технологии как источники тепловой энергии и варианты использования энергии приведены в таблице 4.12.

Таблица 4.12 - Энергетические источники тепла в химических технологиях

Теплоноситель	Место образования, получение конечного продукта	Способ использования	Теплота сгорания, ккал/кг
Водород	Хлористый цинк	Нагрев исходных материалов: цинк, соляная кислота	34180
	Толуол ()	Разложение исходного материала: метилциклогексан
	Ксилен (	Разложение диметилациклогексана
	Бутадиен ()	Разложение бутадиена
	Формальдегид ()	Разложение
	Пропилен ()	Разложение пропана
	Водород ()	Окисление водой; окисление СО
	Цианистый водород (HCN)	Подогрев исходных компонентов
	Каустическая сода (NaOH)
	Хлорат натрия ()	Проведение основного технологического процесса
	Перманганат калия ()	Нагрев технологического агрегата
	Цианид кальция ()	Нагрев исходных смесей
Сера и сероводород	Хлористый барий	Энергетическое топливо
	Азотистый барий
	Окись азота
	Карбонат бария
	Мочевина
	Сернистый натрий
Оксид углерода	Газификация топлива	Источник тепла
	Ваграночные газы	Увеличение производительности вагранок
	Конверторный газ	Отопление металлургических агрегатов
	Коксовый газ
	Доменный газ
	Ацетилен	Промышленные цели
	Цианистый натрий (NaCN)	Энергетическое топливо
	Серный натрий ()
	Сульфид бария (BaS)
	Хлористый титан ()

Продукты химических производств тоже могут обладать потенциалом тепловой энергии, которая может быть использована на параллельных производствах. Например, тепловая энергия аммиака, как это показано в таблице 4.13.

Таблица 4.13 - Тепло охлаждения газа после отвода из агрегата и подачи на очистку

Теплоноситель	Место образования, получение конечного продукта	Способ использования
	Бромистый калий
Аммиак	Меламин
	Карбонат кальция
	Хлористый кальций
Пар	Процессы сушки различными способами	Нагрев агрегатов, обработка растворов и т.д.

В металлургии перевод производства водорода на метод парового каталитического риформинга природного газа является существенно более эффективным способом по сравнению с классическим производством водорода методом электролиза воды, удельные энергозатраты до 4-х раз меньше.

В целлюлозно-бумажной промышленности перспективным является не просто модернизация существующего производства, а преобразование целлюлозных заводов в интегрированные предприятия по комплексной биохимической переработке лесного сырья с выпуском новых видов продукции (био-рефайнинг).

4.7. Работа агрегатов и систем в номинальных режимах

Формально, номинальный режим - такой режим работы машин и оборудования, при котором они могут наиболее эффективно работать на протяжении неограниченного времени (более нескольких часов). Реальные режимы энергопотребления и загрузки промышленного оборудования часто характеризуются как суточной, так и сезонной неравномерностью.

Номинальный режим может отличаться от оптимального, известно, что при проектировании часто закладывается некий "запас", поэтому важно анализировать фактические графики энергопотребления конкретного промпредприятия и отдельных агрегатов. Реальные групповые графики потребления электроэнергии чаще бывают почти периодическими, т.е. для них характерна повторяемость нагрузки в течение разных смен в определенные временные интервалы, выделяют суточные (сменные) и годовые (по месяцам) графики.

Наряду с физическими величинами графики нагрузки описываются безразмерными коэффициентами, так коэффициент формы графика равен отношению среднеквадратичного тока (или среднеквадратичной мощности) приемника или группы приемников за определенный период времени к его среднему значению за то же период времени и характеризует неравномерность графиков нагрузки и использование электроприемников и потребителей электроэнергии по мощности и времени. Коэффициент прямо пропорционален величине потерь мощности и энергии в элементах системы электроснабжения потребителя.

Например, режим работы насосного агрегата привода нефтедобывающего станка-качалки характеризуется периодическим графиком нагрузки. Коэффициент формы такого графика составляет около 2-х, что приводит к высоким потерям мощности и энергии в элементах электроснабжения данной установки. Поэтому, с целью снижения потерь, к одному источнику питания (трансформатору) подключают несколько таких агрегатов, в результате чего выравнивается групповой график нагрузки.

В условиях низкой загрузки элементов системы электроснабжения промышленного предприятия возрастают относительные потери мощности и энергии. Например, независимо от мощности конкретного трансформатора, зависимость КПД от коэффициента загрузки имеет максимум, находящийся в среднем на уровне около 45% от номинальной (на трансформаторах максимум КПД выражен сравнительно слабо, т.е. он сохраняет высокое значение в довольно широком диапазоне изменения нагрузки).

Одной из мер энергосбережения при наличии нескольких трансформаторов будет определение оптимального количества работающих трансформаторов, другой - оптимизация загрузки трансформаторов, путем перераспределения нагрузок таким образом, чтобы КПД установленных трансформаторов был максимальным.

Потери мощности и энергии в трансформаторах определяются соотношением потерь холостого хода и короткого замыкания в них, а также режимом работы потребителя. На рынке представлены трансформаторы с различным соотношением потерь холостого хода и короткого замыкания, и при выборе определенного типа трансформатора на стадии проектирования или при модернизации оборудования необходимо учитывать эти характеристики, а также показатели режима работы потребителя.

Другой распространенной проблемой является нарушение расчетного режима работы теплообменного оборудования, вследствие его загрязнения при высоком содержании в воде накипеобразующих солей и продуктов коррозии. При этом снижается коэффициент теплопередачи, а значит, расчетная тепловая нагрузка обеспечивается только при повышенном расходе греющей сетевой воды. Циркуляция увеличенного расхода теплоносителя вызывает рост тепловых потерь. То же относится и к любым другим теплопередающим поверхностям технологических аппаратов.

Поэтому необходимо регулярно проводить чистку загрязненных поверхностей и рассмотреть возможность проведения мероприятий по предотвращению загрязнения (применение осветлительных фильтров, инерционно-гравитационных грязевиков, комплексонов в водно-химическом режиме, акустических противонакипных устройств и т.п.).

При подборе (проектировании) необходимо учитывать возможность загрязнения, а также то, что теплообменник с высоким расчетным (конструктивным) значением коэффициента теплопередачи значительно более чувствителен к загрязнению, чем теплообменник с низким расчетным коэффициентом теплопередачи (т.е. его коэффициент теплопередачи при одном и том же загрязнении уменьшается на большую долю).

Очистка от отложений важна и для трубопроводных систем, например, очистка нефтепроводов от парафинов, оседающих из нефти на внутренние стенки трубы и осложняющие процесс перекачки. Снижение эквивалентного диаметра снижает проектную пропускную способность и приводит к увеличению удельного расхода электроэнергии на транспортировку нефти.

Выход за расчетные режимы, или "энергетические патологии" приводят к снижению, как правило, не только КПД, но и надежности эксплуатации оборудования.

Сказанное выше относительно важности работы в номинальном режиме, справедливо, не только для отдельных агрегатов или предприятий, но и энергосистем в целом (табл.4.14). Например, лишение ТЭЦ проектных тепловых нагрузок (прежде всего уход промышленных потребителей) сразу снижает эффективность работы как самой теплоцентрали, так и всей системы централизованного теплоснабжения.

Таблица 4.14 - Некоторые примеры возможных отклонений от номинальных режимов в промышленных энерготехнологических и теплотехнологических агрегатах и установках и пути их нейтрализации

Отрасли (процессы)	Отклонения от номинальных режимов ("энергетические патологии")	Пути и методы нейтрализации отклонений
Электроэнергетические сети и системы	Недозагрузки трансформаторов линий электропередач	Замена трансформаторов на менее мощные
	Снижение cos	Устройства компенсации реактивной мощности
Теплофикационные турбоагрегаты ТЭЦ	Недозагрузка теплофикационных отборов	Подключение дополнительных потребителей
Насосы и нагнетатели	Работа на пониженных напорах, расходах	Применение регулируемого привода (гидромуфты, ЧРП)
Теплообменное оборудование	Наличие отложений на стенках, снижающих эффективность теплообмена	Очистка стенок, промывка теплообменников различными средами

Необходимым условием эффективности является создание системы, позволяющей обеспечить работу оборудования в номинальных режимах, т.е. его выбор при проектировании в соответствии с расчетной нагрузкой; при работе с переменными нагрузками - техническую возможность эффективно работать в соответствии с изменяющейся нагрузкой; для сложных систем с разнотипным оборудованием - возможность использовать оборудование, наиболее эффективное в конкретный период работы.

К примеру, в системе теплоснабжения, включающей ТЭЦ и котельные, дополнительная тепловая нагрузка может обеспечиваться как от котельных, так и от ТЭЦ, при этом в последнем случае удельный расход топлива существенно ниже. Необходимо отметить, что энергосберегающий потенциал ТЭЦ общего пользования в настоящее время практически не используется.

Исторически ТЭЦ строились в центрах нагрузок - рядом с промышленными узлами, чтобы в наиболее эффективном когенерационном цикле производить тепловую и электрическую энергии с экономией топлива по сравнению с раздельной выработкой тепловой и электрической энергий. Однако существующие правила обязывают ТЭЦ поставлять электроэнергию не на локальном рынке близлежащим потребителям, а формально на оптовом рынке, где стоимость электроэнергии удваивается за счет транспортной составляющей на содержание ЛЭП от АЭС и ГЭС. Соответственно, ТЭЦ, проигрывая по цене, теряют в первую очередь промышленных потребителей, которые вынуждены отвлекать инвестиции на строительство собственных ТЭЦ мощностью до 25 МВт (не обязанных выходить на оптовый рынок), а значит, работая с теми же циклами, что и ТЭЦ общего пользования, имеют себестоимость электроэнергии в 2 раза ниже (т.к. транспортная составляющая в стоимости отсутствует).

Уход промышленных потребителей приводит к работе ТЭЦ в нерасчетных режимах с высокими удельными затратами топлива. Таким образом, ключевые энергетические и экологические преимущества крупных ТЭЦ были искусственно утрачены. Кроме того, для замещения мощностей ТЭЦ общего пользования как правило строятся газотурбинные ТЭЦ, но необходимо отметить, что затраты на продление паркового ресурса импортных газовых турбин в 6 раз выше, чем у паровых турбин российского производства, а парковый ресурс паровых турбин российского производства в 2,7 раза больше, чем у импортных газовых турбин.

Для использования утраченного потенциала энергоэффективности необходимо изменение организационно-правовых механизмов для электроэнергетического сектора, которые предоставят обществу долгосрочные преимущества и позволят транслировать часть этих преимуществ на потребителя посредством установки таких цен, которые отражают оптимальные затраты на поставку электроэнергии, и обеспечения качества обслуживания, согласующиеся с оценками/ожиданиями потребителя.

Преимущества должны создавать стимулы для контролирования затрат на строительство и эксплуатацию новых и существующих генерирующих мощностей, поощрять инновационные технологии в области энергоснабжения, предоставлять необходимые средства операторам для поддержания соответствующего качества обслуживания и перевести риски выбора технологии, затрат на строительство и эксплуатационные "ошибки" с потребителей на поставщиков.