Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ эффективности теплопотребления текстильного производства
1.1.. Теплопотребление как фактор, определяющий конкурентоспособность текстильного производства 10
1.2. Анализ системы теплопотребления текстильного предприятия 30
1.3. Механизм реализации целевой функции 57
Глава II. Разработка и теоретическое обоснование рекомендаций по повышению эффективности использования тепловой энергии 66
2.1. Демонстрационная зона высокоэффективного использования тепловой энергии 66
2.2. Разработка и обоснование рациональных режимов работы теплоэнергетического оборудования 80
2.3. Ранжирование тепло-сберегающих мероприятий 98
Глава III. Метод моделирования теплового режима в зоне обслуживания теплопотребляющего оборудования 107
3.1. Влияние тепловыделений на организм человека 107
3.2. Нормативное регламентирование параметров микроклимата в рабочей зоне
3.3. Теоретическое обоснование метода проектирования и мониторинга параметров микроклимата в рабочей зоне 117
3.4. Моделирование теплового режима рабочей зоны обслуживания сушильной машины СП8-2Л 130
Заключение 144
Библиографический список 146
- Теплопотребление как фактор, определяющий конкурентоспособность текстильного производства
- Механизм реализации целевой функции
- Разработка и обоснование рациональных режимов работы теплоэнергетического оборудования
- Нормативное регламентирование параметров микроклимата в рабочей зоне
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Анализ социально-экономического положения в текстильной и легкой промышленности в 2001-2005 годах показывает, что отрасль является тем сектором экономики, который в последние годы демонстрировал отрицательный результат в своем развитии. Это является следствием обострения конкуренции на внутреннем рынке из-за наличия большого количества нелегальных импортных товаров и продукции "теневого " производства низкого качества по более низкой цене.
Проблема достижения конкурентоспособности производства текстильной и легкой промышленности за счет лучшего качества и более низких затрат становится все острее, особенно при вступлении России во Всемирную Торговую организацию.
Вступление России во Всемирную Торговую организацию угрожает существованию текстильной и легкой промышленности, так как в действующих условиях предприятия не смогут выдержать труднейшую конкурентную борьбу с иностранными фирмами и корпорациями.
Постоянный рост тарифов на энергоносители делает их экономию особенно актуальной в настоящий период. На данный момент доля затрат на энергоносители в себестоимости текстильной продукции составляет 6-15% и тенденция роста продолжается.
Внедрение энергосберегающих технологий на текстильном производстве, в лучшем случае носит локальный характер. Отсутствует комплексный подход к проблеме энергосбережения на производстве, который позволил бы ощутимо снизить затраты на тепловую энергию в себестоимости выпускаемой продукции. Не уделено достаточного внимания экологическим аспектам энергосбережения в рамках производства, т.е. установления влияния снижения тепловых потерь на микроклимат рабочей зоны.
Таким образом в текстильной промышленности актуально стоит проблема снижения доли затрат на энергоносители в себестоимости выпускаемой продукции, разработки комплексных методов и решений по снижению энергоемкости выпускаемой продукции. Этим объясняется актуальность настоящей диссертационной работы.
Состояние и степень проработанности темы
В настоящее время рациональному использованию топливно-энергетических ресурсов уделяется значительное внимание. Многие работы посвящены эффективному использованию топливно-энергетических ресурсов на базе проведения энергетических обследований производственных предприятий, составления тепловых балансов технологического оборудования с определением нормативных тепловых потерь. В работах Авдюнина Е.Г., Герасимова М.Н., Жмакина Л.И., Каравайкова В.М., Корнюхина И.П., Капустина В.П., Макарова Н.Ф., Муравьева К.К., Уханкова В.Г., Киселева Н.В, Хомуцкого Н.Д., Махова О.Н., Агеева Е.В., Ершевича В.В., Болотова Г.Э. и др. нашли отражения многие теоретические и методические вопросы и положения, связанные с исследованиями тепломассообменных процессов технологического оборудования и разработки энергосберегающих технологий, путей снижения затрат тепловой энергии в себестоимости выпускаемой продукции.
Применительно к нашему предмету исследования наибольший интерес представляют работы, связанные с управлением энергосбережением на промышленных предприятиях, в том числе в текстильном производстве, с разработкой методов, программ, направлений энергосбережения. В данном случае можно выделить труды авторов непосредственно занимающихся данной проблематикой: Каравайков В.М. - изучение вопросов по организации управления энергоэффективностью текстильного производства; Массеров Д.А. - управление энергосбережением на промышленных предприятиях; Башмаков И.А. - анализ зарубежного опыта эффективности использования энергии с учетом экологического фактора в промышленности.
Несмотря на значительные продвижения в изучении проблематики организации эффективного использования тепловой энергии и управления энергосбережением в промышленности существуют организационно-технические и экологические аспекты, связанные непосредственно с текстильным производством и требующие детальных направленных исследований в этой области.
Цель диссертационного исследования - обоснование и разработка методов организации системы теплопотребления текстильного предприятия, направленных на обеспечение снижения доли затрат тепловой энергии в себестоимости выпускаемой продукции и улучшение условий труда обслуживающего персонала.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи, отражающие ее логику:
Определение информационного пространства использования тепловой энергии на типовом представителе текстильного производства, провести анализ эффективности теплопотребления технологическим оборудованием и предприятием в целом и на основе производственных экспериментальных исследований выявить потенциал эн ергосбережен ия.
Разработка целевой функции и механизма реализации эффективного использования тепловой энергии на текстильном предприятии.
Разработка рекомендаций и демонстрационных зон высокоэффективного использования тепловой энергии, направленных на снижение доли затрат тепловой энергии в себестоимости продукции текстильного предприятия.
Разработка организационно-технических мероприятий основанных на современном методе измерения и анализа пространственного температурного поля рабочей зоны текстильного производства с использованием информационных технологий, позволяющих оценить и улучшить существующие условия труда обслуживающего персонала на
стадии проектирования производства и текущего мониторинга параметров микроклимата.
Область исследования: Система потребления тепловой энергии текстильного предприятия.
Предмет исследования: Эффективность использования тепловой энергии для организации энергосберегающих и экологических производственных систем.
Методологической и методической основой исследования послужили научные труды российских и зарубежных ученых в области организации эффективного использования энергии и управление энергосбережением в промышленности, статистические данные Федеральной службы государственной статистики, Костромского областного комитета государственной статистики, отчеты энергетических обследований текстильных предприятий, материалы нормативных и справочных изданий. В диссертации использованы методы системного анализа и синтеза, математического моделирования, сравнения, обобщения и аналогий, методы экономической оценки инвестиционных проектов с учетом временных факторов, современные информационные технологии.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в
разработке методов организации теплопотребления текстильного
предприятия, обеспечивающей снижение энергоемкости продукции и
улучшение экологической обстановки зоны обслуживания
теплопотребляющего оборудования текстильного производства.
Соискателем впервые:
1. Определено и экспериментально исследовано информационное пространство динамики потребления тепловой энергии на типовом предприятии текстильной промышленности, которое характеризуется физическими параметрами тепловой энергии, плотностью теплового потока, объектами тепловыделений с использованием косвенных методов измерения посредством бесконтактного фиксирования и формирования информационной базы данных.
По результатам экспериментальных исследований с применением современного инженерно-технического инструментария произведена оценка эффективности использования тепловой энергии на всех стадиях текстильного производства, уточняющая ранее известные показатели теплопотребления технологического оборудования.
Обоснованы уровни декомпозиции целевой функции «организация эффективного использования тепловой энергии» представленные: целью; ресурсами, влияющими на достижение этой цели; вариантами эффективного использования ресурсов и разработан механизм ее реализации.
Инструментарий управления теплопотреблением текстильного предприятия расширен и дополнен показателями экономической эффективности функционирования системы организации системы теплоснабжения и теплопотребления.
В рамках рекомендуемой программы создания демонстрационных зон высокой энергоэффективности разработаны и научно обоснованы проекты использования вторичных тепловых ресурсов в прядильном производстве, позволяющие существенно снизить затраты тепловой энергии в технологии мокрого прядения и улучшить качество влажностной обработки ровницы перед прядением.
Разработаны организационно-технические мероприятия, направленные на защиту и профилактику вредного воздействия теплоты на организм человека, отличительной особенностью которых является использование нового метода моделирования температурных полей рабочей зоны с помощью современных информационных технологий, позволяющего имитировать изменение температурного поля, его влажности, скорости перемещения на сіадии проектирования и текущего мониторинга параметров микроклимата рабочей зоны.
Соответствие темы и содержания диссертации требованиям паспорта специальности ВАК. Исследование выполнено в рамках специальности 05.02.22 «Организация производства». Положения диссертации соответствуют 5-й области исследования «Разработка научных,
методологических и системотехнических принципов повышения эффективности функционирования и качества организации производственных систем. Повышение качества и конкурентоспособности продукции. Системы качества и экологичности предприятий»; 7-й области исследования «Анализ и синтез организационно-технических решений. Организация ресурсосберегающих и экологических производственных систем» Паспорта специальности 05.02.22 ВАК.
Практическая значимость работы* Результаты научной работы учтены и использованы при разработке областной целевой программы «Энергоэффективная экономика Костромской области на период до 2010 года», «Методики энергетических обследований организаций и предприятий Костромской области», проекта закона Костромской области «Об энергосбережении на территории Костромской области», программы повышения энергоэффективности ООО «Льнообъединение им. И.Д.Зворыкина», методики определения параметров микроклимата рабочей зоны по заданию комитета по труду администрации Костромской области.
Результаты научной работы используются в процессе преподавания и изучения специальных дисциплин «Энергоаудит и энергоменеджмент», «Социально-экономические аспекты энергосбережения» в Костромском государственном технологическом университете.
Апробация результатов диссертационной работы.
Основные положения диссертационной работы были представлены в докладах автора на 56-й, 57-й межвузовских научно-технических конференциях молодых ученых и студентов (г. Кострома 2004г., 2005г.), Всероссийской научно-технической конференции. «Энергосбережение и энергоэффективные технологии-2004» (г. Липецк, 2004 г.), IV-й Российской научно-практической конференции «Повышение эффективности теплоэнергетического оборудования» (г. Иваново, 2005г.), Х-й международной конференции «Высокоэффективные разработки и инновационные проекты в льняном комплексе России» (г. Вологда, 2007 г.),
на межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые -развитию текстильной и легкой промышленности» (г. Иваново, 2007 г.).
Список публикаций автора по теме диссертации включает 15 работ [2 учебных пособия, 7 статей (в том числе 5 статей в журналах, включенных в перечень ВАК для публикации результатов диссертационных исследований), 6 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях] -общим объемом 24,58 пл., вклад автора диссертации 6,5 п.л.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, содержит 159 страниц машинописного текста, в том числе 45 рисунков, 48 таблиц. Библиографический список включает 120 наименований. В приложении (3 страницы) приведены документы, подтверждающие практическое использование результатов работы.
Теплопотребление как фактор, определяющий конкурентоспособность текстильного производства
Оценивая социально-экономическое положение в текстильной и легкой промышленности в 2001-2005 годах, видно, что отрасль является тем сектором экономики, который в последние годы демонстрировал отрицательный результат в своем развитии. Что является следствием обострения конкуренции на внутреннем рынке из-за наличия большого количества нелегальных импортных товаров и продукции "теневого" производства низкого качества по более низкой цене [72].
Проблема достижения конкурентоспособности производства текстильной и легкой промышленности за счет лучшего качества и более низких затрат становится все острее, особенно при вступлении России во Всемирную Торговую организацию.
За годы реформ в вопросах технического перевооружения легкая промышленность России отстала не только от передовых западных стран, но и развивающихся стран Юго-Восточной Азии, Китая, Турции и других, в которых производство товаров растет быстрыми темпами на базе самого современного оборудования.
Общей проблемой подавляющего большинства предприятий легкой промышленности является использование морально и физически устаревшего технологического оборудования. На начало 2005 года доля эксплуатируемого оборудования [92]: - до 5 лет, составила 1,4 %, -6-Ю лет —21,2%, - И-20 лет —57,3%, -более 20 лет-20,1%. В то же время, средний период перехода на новые модели прогрессивного технологического оборудования в легкой промышленности промышленно развитых стран составляет 5 лет.
Для решения проблемы повышения технического уровня производства в легкой промышленности и выпуска конкурентоспособной продукции необходимо проведение комплексного технического перевооружения, как отдельных цехов, так и всего производства. Для этого необходимы значительные капитальные вложения, срок окупаемости которых 5-7 лет.
Предстоящее вступление России во Всемирную Торговую организацию угрожает существованию текстильной и легкой промышленности, так как в действующих условиях предприятия не смогут выдержать труднейшую конкурентную борьбу с иностранными фирмами, транснациональными корпорациями. В отрасли накопилось много проблем, требующих решения: техническая и технологическая отсталость; отсутствие инвестиций для развития производства; низкая инновационная активность; неконкурентоспособность российских товаров по ценовому фактору, дизайну и качеству; высокие издержки производства и материалоемкость и т.д.
Что касается стратегии развития в области топливно-энергетических ресурсов, прямо влияющих на затраты в производстве текстильной продукции, здесь в целом по стране намечена следующая тенденция развития.
Основным топливно-энергетическим ресурсом в России является органическое топливо (природный газ, нефть, уголь и т.д.). Периодически происходила смена доминирования ресурсов в качестве основного топлива. С техническим прогрессом изменялась потребность в различных видах топлива. С 1860 началась промышленная добыча нефти, экономические факторы менее чем за сто лет позволили нефти стать основным сырьем для выработки энергоносителей [91].
С середины двадцатого века стали использоваться ядерные технологии, но на данном этапе данный способ получения энергии стал жестко лимитироваться из-за экологической безопасности. В этот же период, развиваются работы по промышленной добычи природного газа. Сегодня доля газа в мировом топливно-энергетическом балансе составляет 28%. По прогнозам она будет расти по мере исчерпания нефти как основного энергетического сырья. Согласно последним исследованиям оцениваемые ресурсы, такие как нефть, природный газ которые используются как основные энергоносители, пройдут свои максимумы годового производства, что связано с ростом цен на эти ресурсы. Первой, по времени наступления кризиса, является мировая нефть. Точку максимума по годовой добычи она проходит в настоящие время и вступает в фазу кризиса. Основным топливом для производства энергоносителей становится природный газ, добыча которого также пройдет максимум годового производства в среднесрочной перспективе до 2015-2020г. Из органического топлива в этот период единственным ресурсом останется уголь и частично торф, возобновляемая энергетика, которым предстоит компенсировать дефицит нефти и газа через 10...15 лет.
Механизм реализации целевой функции
Анализируя состояние текстильной промышленности, структуру себестоимости, энергоемкость выпускаемой продукции, можно сделать вывод, что для повышения конкурентоспособности текстильной промышленности необходимо снижать доли затрат в себестоимости продукции. Другими словами оказать влияние на внутренний фактор -организационно-технический уровень производства.
Снижение доли затрат на тепловую энергию в себестоимости выпускаемой продукции возможно лишь в условиях организации эффективного использования тепловой энергии в текстильной промышленности. Таким образом, мы формулируем главную цель -организация повышения эффективности использования тепловой энергии в текстильной промышленности.
Снижение доли затраттепловой энергии всебестоимости выпускаемойпродукции Организация эффективногоиспользования тепловойэнергии Главная цель диссертационного исследования организация эффективного использования тепловой энергии с нашей точки зрения достигается за счет решения трех основных направлений, которые определены в результате анализа системы теплопотребления текстильного производства:
По результатам экспериментальных исследований установлено наличие больших потерь тепловой энергии от теплопотребляющего оборудования. Эти, как правило, неоправданные потери, существенно влияют на параметры микроклимата зоны обслуживания технологического оборудования. На эти параметры влияет и работа системы кондиционирования. В реальных условиях имеет место высокая неравномерность распределения температурного поля по объему рабочей зоны и несоответствие параметров микроклимата санитарно-гигиенических нормам, что приводит к профессиональным заболеваниям. Таким образом, существует необходимость в разработке организационно-технических мероприятий, обеспечивающих нормативные параметры рабочей зоны. Решение этой задачи требует разработки методики текущего мониторинга состояния микроклимата и прогнозирования его параметров на стадии проектирования производства.
Как было отмечено выше, целью диссертационного исследования является организация системы эффективного теплопотребления текстильного предприятия, направленная на снижение доли затрат тепловой энергии в себестоимости выпускаемой продукции и улучшение условий труда обслуживающего персонала
На первом этапе представленного механизма управления эффективного теплопотребления текстильного производства рис. 1.20 осуществляется анализ системы теплопотребления. Выявляются и анализируются проблемы и совокупность всех факторов, которые необходимо выявить и учитывать при решении проблемы.
На втором этапе происходит определение снижения эффективности теплопотребления. При обнаружении отклонений переходят к разработке организационно-технических мероприятий - третий этап. Данные мероприятия должны бать направлены на снижение затрат тепловой энергии или организацию эффективного использования тепловой энергии.
На четвертом этапе происходит ранжирование предлагаемых решений основными критериями ранжирования с экономической и экологической точки зрения, являются соответственно - индекс доходности энергосберегающих мероприятий, и условия комфортности с точки зрения обслуживающего персонала, а также окружающей среды.
Разработка и обоснование рациональных режимов работы теплоэнергетического оборудования
В зависимости от уровня и конкретного содержания режимных задач надежность систем пароснабжения характеризуется единичным свойством гидродинамическая устойчивость системы, Рассматривая систему пароснабжения, т.е. ее гидродинамическая устойчивость при различных колебаниях нагрузки и регулировании видно, что опасным явлением в системах пароснабжения является гидравлический удар, который возникает при резком увеличении давления в трубопроводе при внезапной остановке движущегося потока. В системах пароснабжения это явление возникает при скоплении конденсата в трубопроводах, который является естественной преградой для движения потока пара.
Рассмотренная система пароснабжения прядильного цеха, использует пар для приготовления раствора в баках этих машин. Регулирование подачи пара и режим работы носит не равномерный характер, что приводит к скоплению конденсата в паропроводах. Система пароснабжения выполнена по типу тупикового разветвленного трубопровода диаметром 32мм -магистраль, расход тепловой энергии на весь прядильный цех составляет 0,134 Гкал/ч (156кВт), давление перегретого пара 4,5 атм., расход пара 0,072кг/с.
Трубопроводы стальные прямошовные ГОСТ10705-80, сталь 20, давление Рмах=1,6МПа. Физика явлений была исследована Н.Е. Жуковским, он впервые обратил внимание на необходимость при определении расчетных давлений учета инерционных сил массы протекающих по трубопроводам.
При быстром закрытии кранов или при пусках или остановах нагнетателей, остановившейся масса жидкости деформируется под действием сил инерции всей движущейся массы. Гидравлический удар вызывает значительное повышение напряжений в материале труб, связанное с повышением давления в несколько десятков или даже сотен раз по сравнению со статическим. Это может повлечь за собой разрыв трубопровода или его деформацию с нарушение стыковых соединений.
Рассматривая движение перегретого пара (газа) по трубопроводам, при заданных расходах и условиях, ударное давление не значительно и лежит в пределах допускаемого, р =1,6МПа. Это объясняется не значительной плотностью газа и малым модулем упругости. Сечение трубопровода выбирается таким образом, чтобы допускаемая скорость потока для перегретого пара в магистральных трубопроводах лежала в пределах 35...60м/с.
Повышение давления при гидравлических ударах Но опасными режимами являются пуск паропроводов после длительного останова технологического оборудования либо при весьма неравномерных режимах его работы. В данной ситуации в паропроводах отсеченный перегретый пар запорными устройствами, меняет свое фазовое состояние и конденсируется, т.е. образуется «конденсатные пробки». При быстром открытии запорных устройств пар с достаточно высоким давлением проталкивает «конденсатные пробки» до ближайших местных сопротивлений и конденсат под действием кинетической энергии пара превращается в «снаряд».
Это значительно превышает максимально допустимое и может привести к выходу из строя паропровода, а это в свою очередь может повлечь травматизм у обслуживающего персонала, так система трубопроводов расположена над рабочей зоной.
По «Правилам устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды» и испытания теплопроводов проводятся на пробное давление, минимальное значение которого составляет 1,25 от рабочего. Основное количество теплопроводов смонтировано из труб, рассчитанных на условное давление в 1,6 МПа. Следовательно, давление гидравлических испытаний должно быть 2,0 МПа. В настоящее время теплопроводы прессуют на повышенное давление в 2,4 - 2,6 МПа. Такое повышение объясняется стремлением довести коррозионные повреждения до разрушения в период гидравлических испытаний с тем, чтобы избежать разрывов и раскрытия труб в течение отопительного сезона и снизить тем самым число отказов системы теплоснабжения в зимний период.
Качественно, обоснование повышения испытательного давления логично, однако, следует выяснить влияние повышенных давлений на прочностные характеристики труб и на течение коррозионных процессов.
Трубы на заводах изготовителях испытывают на пробное давление величиной в 1,5 раза больше условного (2,4 МПа). Для новых труб испытательное давление является разрешающим применение в тепловых сетях. Это давление включает запас по толщине, учитывающий снижение качества труб в процессе эксплуатации.
С другой стороны коррозионные повреждения и повреждения сварных швов случайным образом располагаются по длине труб. Поиск таких повреждений следует вести направленно, выявляя зоны активных коррозионных процессов путем накопления и анализа адресной статистики повреждений, привлекая приборные способы контроля состояния теплопроводов.
Нормативное регламентирование параметров микроклимата в рабочей зоне
Показатели микроклимата в рабочей зоне регламентированы ГОСТ 12.1.005-88 « Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны». Настоящий стандарт распространяется на воздух рабочей зоны, устанавливает общие санитарно-гигиенические требования к показателям микроклимата и допустимому содержанию вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Требования к допустимому содержанию вредных веществ в воздухе рабочей зоны распространяются на рабочие места независимо от их расположения.
Показателями, характеризующими микроклимат, являются [29,32]: 1) температура воздуха; 2) относительная влажность воздуха; 3) скорость движения воздуха; 4) интенсивность теплового излучения. Оптимальные показатели микроклимата распространяются на всю рабочую зону, допустимые показатели устанавливаются дифференцированно для постоянных и непостоянных рабочих мест.
При обеспечении оптимальных показателей микроклимата температура внутренних поверхностей конструкций, ограждающих рабочую зону (стен, пола, потолка и др.), или устройств (экранов и т.п.), а также температура наружных поверхностей технологического оборудования или ограждающих его устройств не должны выходить более чем на 2С за пределы оптимальных величин температуры воздуха.
При этом абсолютные значения температуры воздуха, измеренной на разной высоте и в различных участках помещений в течение смены, не должны выходить за пределы допустимых величин.
Согласно ГОСТ 12.0.003-80 «Опасные и вредные производственные факторы. Классификация» повышенную или пониженную температуру поверхностей оборудования, материалов, температуру воздуха рабочей зоны по природе действия относят к физически опасным и вредным факторам.
Ко второй категории относятся производственные помещения высотой менее 6-8 м. Помещения, как правило, размещаются в многоэтажных зданиях с пролетами шириной 6, 9 и 12 м. Кратность воздухообмена 10 и более 1/ч, при удельных расходах воздуха 20-80 м /(м -ч). В некоторых из этих помещений технологический процесс существенно зависит от равномерности распределения параметров воздуха в рабочей зоне. Расчет распределения воздуха для достижения равномерной температуры по площади помещения определяется лишь выбором стандартных схем распределения струй воздуха. Таким образом, проанализировав нормативную документацию по требованиям к параметрам микроклимата в рабочей зоне можно сделать следующие выводы: 1) Нормативные документы устанавливают допустимые приделы параметров микроклимата в рабочей зоне. 2) При задании равномерного распределения температуры в рабочей зоне в нормативных документах по проектированию системы вентиляции и кондиционирования не учитывается неравномерность «зон активных тепловыделений», которые приводят к неравномерному распределению температурного поля по объему производственного помещения.
Таким образом, применяемая в настоящее время нормативная документация по заданию и проектированию микроклимата в рабочей зоне является несовершенной, т.к. не учитывает реальное распределение тепловой энергии в производственном помещении, имеющем внутренние источники тепла. Исходя из этого, в данной диссертационной работе решается задача разработки нового метода проектирования и мониторинга параметров микроклимата в рабочей зоне текстильного производства, основанная на моделировании теплового режима рабочей зоны.
