Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ состояния проблемы энергосбережения на установках химических технологий 8
1.1 Анализ энергозатрат в установках химических технологий 8
1.2 Направления использования продуктов воздухоразделительных установок в зависимости от их чистоты 12
1.3 Классификация криогенных ВРУ 15
1.4 Анализ возможностей энергосбережения в воздухоразделительных установках 17
1.5 Методы моделирования и оценки эффективности энергосберегающих систем. Обоснование выбранных методов 21
1.6 Выводы 30
Глава 2. Объекты и методы исследования 32
2.1 Описание объектов исследования. Анализ недостатков на основе наблюдений 32
2.2 Экспериментальная часть. Постановка натурно-производственного эксперимента для условий г. Астрахани 37
2.2.1 Приборы измерения. Точность измерений. Методика проведения эксперимента 37
2.2.2 Результаты научно-производственного эксперимента. Определение расчетного режима 41
2.3 Разработка энергосберегающей системы на базе АБХМ (общая схема) 45
2.4 Определение основных технических характеристик элементов энергосберегающей системы для последующего тестирования математической модели 46
2.4.1 Поверочный расчет 4-х ступенчатого воздушного поршневого компрессора 305ВП16/70 ВРУ АК-0,6 для условия максимальной летней температуры воздуха 47
2.4.2.Тепловой расчет аппаратов энергосберегающей системы 49
2.4.3. Поверочный тепловой расчет АБХМ 52
2.5 Выводы 57
Глава 3. Моделирование энергосберегающих систем установок разделения воздуха 59
3.1 Постановка задачи моделирования. Обоснование выбора систем моделирования 59
3.2 Модель и блок - схема программы на языке С Sharp 61
3.3 Определение вспомогательных зависимостей между основными теплотехническими и рабочими параметрами в широком диапазоне их изменения. Тестирование и оценка адекватности модели 65
3.4 Численный эксперимент на примере воздухоразделительной установки АК-1,5. Обработка результатов. Сводные данные по расчёту трёх ВРУ 68
3.5 Выводы 77
Глава 4. Анализ результатов моделирования 79
4.1 Анализ работы ВРУ-АБХМ в заданных условиях 79
4.2 Оценка термодинамической эффективности энергосберегающей системы на основе энтропийно-статистического анализа 83
4.3 Использование программы Hysys ASPEN для моделирования и разработки аппаратов энергосберегающих систем 87
4.3.1 Котел-утилизатор 87
4.3.2 Теплообменник предварительного охлаждения 89
4.3.3 Водяной теплообменник 90
4.4 Выводы 91
Глава 5 Экономическая оценка 93
5.1 Методика оценки эффективности инвестиционного проекта 93
5.2 Результаты расчета экономической эффективности 96
5.3 Выводы 98
Заключение 99
Список использованной литературы 101
Приложения 109
- Анализ возможностей энергосбережения в воздухоразделительных установках
- Модель и блок - схема программы на языке С Sharp
- Анализ работы ВРУ-АБХМ в заданных условиях
- Методика оценки эффективности инвестиционного проекта
Введение к работе
Актуальность работы. Высокая энергоемкость воздухоразделительных установок (ВРУ) оказывает влияние на повышение себестоимости продукции и, как результат, на снижение конкурентоспособности предприятия. Применение абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин (АБХМ) в составе энерготехнологического агрегата, использующего тепло технологического процесса, позволит повысить эффективность систем разделения воздуха.
Значительный вклад в решение проблем повышения энергоэффективности химических технологий, в том числе, за счет применения теплоиспользующих холодильных машин, внесли отечественные и зарубежные ученые: Архаров A.M., Архаров И.А., Лавренченко Г.К., Минкус Б.А., Тимофеевский Л.С., Бараненко А.В., Пластинин П.И., Галимова Л.В., Попов А.В., Морозюк Л.И., A.R.Smith, Liwei Y.
Снижение потерь, повышение качества продуктов разделения воздуха, в особенности, для установок, работающих в условиях повышенных температур окружающей среды, является одним из важнейших направлений их совершенствования. Разработка и анализ энергосберегающих систем, способствующих повышению энергоэффективности основных типов ВРУ, в различных условиях эксплуатации, определяет актуальность данной работы.
Цель работы. Развитие и реализация энергосберегающих технологий в системах разделения воздуха на базе абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин.
Задачи:
-
Анализ состояния проблемы энергоэффективности на установках химических технологий;
-
Анализ причинно-следственных связей, влияющих на работу воздухоразделительных установок. Натурно-производственный эксперимент по условиям г. Астрахани;
-
Разработка энергосберегающей системы на базе АБХМ;
-
Моделирование энергосберегающей системы ВРУ-АБХМ;
-
Численный эксперимент с использованием разработанной программы. Оценка адекватности программы. Анализ результатов численного эксперимента;
-
Энтропийно-статистический анализ действующей ВРУ и энергосберегающей системы ВРУ-АБХМ;
7. Оценка экономической эффективности энергосберегающей системы.
Научная новизна:
-
Разработана новая диаграмма причинно-следственных связей для энергоэффективных систем разделения воздуха на базе абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин на основе метода профессора Исикавы (Япония);
-
Разработана энергосберегающая система ВРУ - АБХМ, направленная на решение проблемы уменьшения энергозатрат и повышения чистоты продукта. Патент на полезную модель № 151886 от 27.03.2015;
-
Создана математическая модель «Автоматизированная система анализа энергоэффективности абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины
воздухоразделительной установки». Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2015662746 от 01.12.2015;
4. Разработана методология, позволяющая производить анализ, проектирование и оценку эффективности энергосберегающей системы ВРУ -АБХМ с использованием тепла компримирования, подтвержденная результатами энтропийно-статистического анализа.
Личный вклад автора
Автором проведён натурно-производственный эксперимент, который позволил вскрыть закономерности физических процессов, выполнить оценку работы действующих ВРУ. Автором предложены модель и автоматизированная система, позволяющая анализировать работу энергосберегающей системы с возможностью подбора АБХМ для различных типов ВРУ с учётом их особенностей при любом сочетании режимных параметров, оценить эффективности работы энергосберегающей системы.
Практическая значимость.
Длительное наблюдение за работой действующих ВРУ выявило отклонения от регламентных значений технических характеристик в летний период работы. Предложена схема, включающая АБХМ как энерготехнологический агрегат, использующий тепло компримирования ВРУ и вырабатывающий энергию для обеспечения технологического процесса.
Результаты исследования приняты к рассмотрению для внедрения в производство ООО «Газпром добыча Астрахань».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на III Международной конференции с элементами научной школы для молодежи «Инновационные разработки в области техники и физики низких температур», (Москва 2013); VII Международной научно -технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке», (Санкт-Петербург, 2015); 35-ой научно-технической конференции с международным участием «Три климатических кита индустрии холода. Доминанты устойчивости и синдромы нетрадиционного развития», (Санкт-Петербург, 2017); отчетных конференциях ППС АГТУ, (Астрахань, 2013, 2014, 2015, 2016, 2017). Доклад на тему: «Effectiveness of energy saving systems based on lithium bromide absorption refrigeration machine for air separation plants» был принят оргкомитетом 24th International Congress of Refrigeration, (ICR 2015).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе в ведущих рецензируемых научных изданиях, определённых ВАК-3; Патент на полезную модель; Свидетельство о регистрации программы.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка использованных источников информации. Работа изложена на 100 страницах основного текста, содержит 39 рисунков, 10 таблиц. Список использованных литературных источников составляет 100 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Приложений - 5.
Анализ возможностей энергосбережения в воздухоразделительных установках
При проведении энергоаудита работающих компрессорных станций и установок различного типа выявляется большой потенциал энергосбережения.
Выделяющиеся в процессе сжатия тепло, как правило, отводится в окружающую среду. Проблема его полезного использования с целью снижения энергопотребления системы практически не находит своего решения [20,34].
Снижение энергопотребления компрессорами общего назначения при многоступенчатом сжатии может быть достигнуто путем интенсивного охлаждения рубашки компрессора и межступенчатого охлаждения газа. В подтверждение целесообразности предлагаемого решения приведены некоторые результаты энергетических исследований компрессоров и компрессорных станций [25].
По различным оценкам [39], тепловая мощность, которая отводится от сжимаемого газа в процессе его сжатия и подготовки перед подачей потребителю, может составлять до 90 % от мощности привода компрессора.
На рисунке 1.4 представлена диаграмма областей применения различных типов компрессорных машин в зависимости от их производительности и давления нагнетания и способа охлаждения [84,27,2].
В поршневых компрессорах, по различным сведениям, [34, 27, 35], в виде тепловой энергии с охлаждающей водой рубашки цилиндра отводится до 10 % от электрической мощности, подведенной к приводу поршневого компрессора.
На рисунке 1.5 приведены результаты исследования по определению зависимостей тепловой мощности, отведенной от сжимаемого газа в поршневом компрессоре, от подведенной электрической мощности. Установлено, что порядка 70% подводимой электрической энергии к электродвигателю компрессора отводится от газа в качестве теплоты трения, как в цилиндрах компрессора, так и в кривошипно-шатунной паре.
При установке в компрессорной станции дополнительного блока рекуперации около 70% потребленной энергии может быть возвращено в виде горячей воды с температурой +80 С [60].
При использовании блока рекуперации энергии компрессора общая стоимость эксплуатации компрессорной станции может быть уменьшена на 40% [58].
Необходимым условием для применения системы является наличие постоянного потребителя горячей воды. Система работает особенно эффективно, если она позволяет покрыть около 30-50% потребности в горячей воде [73, 14].
С другой стороны, эффективность работы ВРУ может быть повышена за счёт работы системы предварительного охлаждения (СПОВ). В летний период года может возникнуть такая ситуация, что температура воздуха на входе в блок комплексной отчистки будет превышать предельные показатели (10 -15С) [10].
Назначением СПОВ на ВРУ является уменьшение температуры сжатого воздуха после концевого теплообменника и перед поступление в блок комплексной очистки (БКО), после чего далее в блок разделения ВРУ. Величина температуры сжатого воздуха должна достигнуть такого значения, при котором обеспечивается качественная очистка от влаги, диоксида углерода и взрывоопасных примесей. Это обусловлено теплофизическими и адсорбционными свойствами цеолита, которым заполнен БКО. В случае превышения данной температуры воздух, поступая в блок разделения с примесями, нарушается технологический режим, что приводит к уменьшению величины ожижаемого воздуха и качественного состава конечного продукта [29, 40].
В работах [28, 49, 45, 26, 50] рассматриваются современные типы воздухоразделительных установок (ВРУ), производимых компанией «Криогенмаш», для получения технического кислорода.
Для снижения энергозатрат в СПОВ в ряде изготовленных ВРУ используются скрубберы с регулярной насадкой, что позволяет исключить холодильные машины.
При соблюдении проектных требований к качеству воды эти аппараты обеспечивают низкое гидравлическое сопротивление на уровне нескольких кПа с температурной разницей между потоками воды и воздуха в верхней секции воздушного скруббера менее одного градуса. В СПОВ может включаться азотный скруббер для использования дополнительного потенциала по холоду потока сухого отбросного азота. Охлаждённая вода на выходе из него может иметь температуру ниже, чем температура входящего отбросного азота.
В случае, когда на установке не предусмотрено получение значительных количеств чистого азота (не более 15 % от расхода перерабатываемого воздуха), из системы предварительного охлаждения также могут быть исключены холодильные машины. В таких установках расход отбросного азота достаточен и для регенерации адсорберов БКО, и для охлаждения части воды, используемой для охлаждения воздуха перед БКО в воздушном скруббере. В результате исключения из состава оборудования холодильной машины снижаются и капитальные, и эксплуатационные затраты для ВРУ такого типа [36].
Однако, использование скрубберов для предварительного охлаждения воздуха затруднительно в условиях работы системы в жарком климате, т. к. температура сбросного азота в летнее время года составляет в среднем 20 С, что недостаточно для обеспечения процесса.
Приведенные в работе [30] возможность и целесообразность использования бросового тепла компримирования позволяет решить проблему снижения энергозатрат, что особенно характерно для установок, работающих в условиях жаркого климата. Эта идея была использована при создании и исследовании энергосберегающей системы на базе АБХМ. Разработанная схема запатентована.
С целью реализации идеи была проведена энергетическая, термодинамическая и экономическая оценка работы установки, результаты которой опубликованы в работах [15, 16, 17, 18, 41, 42].
Модель и блок - схема программы на языке С Sharp
Блок-схема программы для проведения анализа энергоэффективности абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины воздухоразделительной установки, представленная на рисунке 3.2, состоит из 5 блоков:
– первый блок программы позволяет произвести расчет основных характеристик компрессора, тепловой нагрузки на теплообменник предварительного охлаждения, котел – утилизатор и водяной теплообменник;
– второй блок включает поверочный расчет АБХМ с возможностью подбора необходимой холодильной машины по каталогу;
– третий блок производит расчёт системы ВРУ - АБХМ для определения основных её показателей;
– четвертый блок определяет степень термодинамического совершенства энергосберегающей системы с использованием энтропийно-статистического анализа;
– пятый блок включает экономическую оценку энергосберегающей системы.
На основе представленной блок-схемы разработана автоматизированная система анализа энергоэффективности абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины воздухоразделительной установки, написанная в среде разработки Visual Studio 2012 на языке высокого уровня C#.
Язык C# является языком программирования высокого уровня, объектно-ориентированным, предназначенным для разработки различных безопасных приложений, выполняемых в среде .NET Framework [21].
Visual C# предоставляет развитый редактор кода, конструкторы с удобным и интуитивно-понятным пользовательским интерфейсом, встроенный отладчик и множество других средств, упрощающих разработку приложений на базе языка C# и .NET Framework.
Синтаксис языка удобный, простой и лаконичный для начинающего и рядового пользователя со средними знаниями программирования. С# поддерживает набор универсальных методов и типов, обеспечивающих высокий уровень безопасности и производительности.
Платформа .Net позволяет подключать уже готовые библиотеки с необходимым функционалом, написанные на любом другом языке, интегрированном с платформой .NET.
Единственным недостатком использования C# может являться лишь сильная привязка на Microsoft. Но в данной работе этот недостаток не является существенным.
Программный продукт разработан средствами Visual Studio 2012 .NET Framework 4 под управлением ОС MS Windows 7 для стандартной конфигурации компьютера Pentium. Запускающим модулем является файл «Расчет ВРУ с АБХМ».exe.
Программный продукт устанавливается на компьютерах Pentium IV и выше стандартной конфигурации.
Автоматизированная система анализа энергоэффективности абсорбционной бромистолитиевой холодильной машиныи воздухоразделительной установки предназначена для определения технических характеристик системы, автоматической обработки ииллюстрации характера их изменения в различных условиях, а также оценки эффективности работы энергосберегающей системы.
Перед началом эксплуатации программного продукта «Автоматизированная система анализа энергоэффективности абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины воздухоразделительной установки» необходимо выполнить следующие действия:
– Установить необходимое программное обеспечение;
– Скопировать запускающий модуль ««Расчет ВРУ с АБХМ».exe» на жесткий диск;
– Запустить программный продукт.
Для проведения анализа в программе произвести ввод корректных исходных данных.
Анализ работы ВРУ-АБХМ в заданных условиях
Анализ результатов численного эксперимента выполняется разработанной автоматизированной системой на основе данных натурно-производственного эксперимента и выводится в виде графиков в интерфейсе программы.
Построение графиков осуществляется программой на определенном интервале (tо.с. +15...+40 С) с шагом 1 С, с помощью цикличного оператора.
Сравнительный анализ полученных результатов численного эксперимента по всем установкам представлен на графиках (рис. 4.1-4.2) в виде зависимостей технических характеристик ВРУ и энергосберегающей системы (ВРУ с АБХМ) от температуры наружного воздуха.
Расчётные параметры при подборе АБХМ соответствуют максимальной летней температуре воздуха в г. Астрахань.
Представленные на графиках зависимости позволяют оценить характер изменения технических характеристик при изменении температуры наружного воздуха, определить период эффективной работы системы. Особенность характера изменения представленных зависимостей определяется тем, что качество получаемого тепла нагрева генератора АБХМ определяется температурой окружающей среды.
На рис. 4.1 видно, как при повышении температуры окружающей среды повышается тепловая нагрузка на генератор АБХМ (Qh) и увеличивается холодопроизводительности (Q0). При анализе эффективности работы АБХМ установлено, что величина теплового коэффициента () снижается от 0,82 до 0,66, так как скорость увеличения Qh больше, чем Q0.
Анализ работы АБХМ показал, что за счет непосредственной зависимости тепловой нагрузки на генератор АБХМ от тепловой нагрузки на котел-утилизатор происходит саморегулирование холодопроизводительности и теплового коэффициента при изменении температуры окружающей среды.
При увеличении температуры окружающей среды тепловой коэффициент снижается в среднем на 20%, т. к. среднее отклонение теплой нагрузки на генератор АБХМ значительно выше теплой нагрузки на испаритель.
Анализ работы воздухоразделительных установок (рис. 4.2, линии 1 - 3) показал, что при повышении температуры окружающей среды: полная вырабатываемая холодопроизводительность (Q0) ВРУ уменьшается, в связи с увеличением температуры рабочего газа в установке; эффективная мощность воздушного компрессора (N) возрастает, в связи с увеличением температуры газа на входе, и охлаждающей воды между ступенями компрессора. Величина холодильного коэффициента () за весь предполагаемый период работы (tо.с. +15...+40 С) снижается:
– для КжАж-0,04 от 0,098 до 0,077;
– для АК-0,6 и АК-1,5 от 0,045 до 0,03.
Установлено, что холодильный коэффициент установки высокого давления КжАж-0,04 значительно выше установок среднего давления АК-0,6 и АК-1,5.
Анализ работы энергосберегающей системы (ВРУ - АБХМ, линии 11 - 31) показал приближение основных технических характеристик установки к регламентным значениям. Это связано с поддержанием температуры воздуха на входе в воздушный компрессор и в блок комплексной отчистки за весь предполагаемый период работы не выше 15 С, что достигается путем использования высокопотенциального тепла сжатого в компрессоре воздуха для производства холодной воды с температурой +7 С в испарителе АБХМ.
По результатам проведенного анализа видно, что подключение АБХМ к установке разделения воздуха позволяет повысить холодильный коэффициент установок в среднем для АК-1,5 и АК-0,6 на 30%, а для КжАж-0,04 на 16,6 %.
Методика оценки эффективности инвестиционного проекта
Капитальные затраты (суммы инвестиций) [47].
Инвестиции - совокупность затрат материальных, трудовых и денежных ресурсов, направленных на расширенное производство основных фондов всех отраслей народного хозяйства, руб,
К = К 1 +К2 + К3 + К4 + К5 -К6,
где К 1 -стоимость вновь приобретаемого оборудования;
К2 -стоимость монтажных работ (в приближенных расчетах может определяться как 10% от К 1);
К3 -стоимость транспортных расходов (10% от К 1);
К4 -стоимость демонтажных работ (в приближенных расчетах может определяться как 8% от стоимости снимаемого оборудования);
К5 -не амортизируемая часть стоимости снимаемого оборудования;
К6 -выручка от продажи снимаемого оборудования.
Объем промышленной продукции определяется по заводскому методу без стоимости внутризаводского оборота, в отпускных ценах предприятий, а также в ценах, сопоставимых с соответствующим периодом предыдущего года.
Выручка от реализации находится по формуле, руб.,
где Vпро-ва - объём производства (тонна), Ц - цена. Выручка от реализации без НДС по формуле, руб.,
ВРбезшлог=ВР-ВР-0,18
где ВР - выручка от реализации.
Расчет нормы амортизации выполняется по формуле, руб.,
где Цоб - цена оборудования, руб.; На - норма амортизации, руб.
Основная заработная плата рассчитывается, исходя из баланса рабочего времени одного рабочего в часах, часовых тарифных ставок, доплат за работу в ночное время, за вредность, премий фонда заработной платы.
Основная заработная плата (ЗПосн) рассчитывается по формуле, руб., где К„/ч - количество нормо-часов на операцию; Тст - часовая тарифная ставка соответствующего разряда.
Отчисления на социальные нужды определяются по формуле, руб., где ЗП - заработная плата (руб.)
Прибыль на предприятии может быть получена за счёт различных видов деятельности.
Основной элемент балансовой прибыли составляет прибыль от реализации продукции, выполнения работ и оказания услуг находится по формуле, руб., где ВР - выручка от реализации, (руб.); ПСг.о. - полная себестоимость годового объёма продукции (руб.).
Налог на прибыль определяется по формуле, руб., где БП - балансовая прибыль (руб.). Чистая прибыль находится по формуле, руб.,
Коэффициент дисконтирования определяем для постоянной нормы дисконта Е по формуле, где Е - норма дисконта, t - время от момента получения результата (произведения затрат) до момента сравнения, измеряемое в годах.
Дисконтированные денежные поступления - это текущая стоимость денежных поступлений. Расчёт производится по формуле, руб., где ДП - денежные поступления (руб.); - дисконтированный множитель.
Сальдо по счетам включается в бухгалтерский баланс, при этом по активным счетам, показывающим остатки хозяйственных средств, его размещают в активе, а по пассивным счетам, показывающим состояние источников хозяйственных средств в пассиве баланса, руб., где ДДП - дисконтированные денежные поступления (руб.); НДП -накопление денежных поступлений (руб.); НДПп_і - накопление денежных поступлений за прошедший год.
Чистый дисконтированный доход (ЧДД), руб., где ДП - денежные поступления (руб.); - дисконтированный множитель; к - капитальные затраты (руб.).
Если величина ЧДД инвестиционного проекта положительна, то он признаётся эффективным.
Индекс рентабельности инвестиций, если Рi 1 проект рентабелен и может быть принят к внедрению.