Сегодня много говорят об энергосбережении и энергоэффективных технологиях. В промышленных предприятиях вопрос энергосбережения особенно актуален, т.к. затраты на энергоснабжение в производственных компаниях доходят до 50%.

Многие считают, что традиционные способы энергосбережения в промышленности исчерпали себя. Попытаемся опровергнуть это утверждение.

Все знают, что львиная доля энергии в промышленных предприятиях расходуется технологическим оборудованием. Технологическое оборудование промышленных предприятий по видам потребляемых ресурсов можно разделить на следующие группы:

- потребляющие электроэнергию;

- потребляющие тепловую энергию;

- потребляющие технологические газы, в том числе сжатый воздух;

- использующие оборотную и необоротную воду;

- использующие твердое, жидкое и газообразное топливо

и др.

Инструменты энергосбережения в системах потребления электрической энергии:

- поддержание оптимального значения косинуса фи (cos ϕ)

Параметр косинус фи (cos ϕ) оказывает значительное влияние на эффективность использования электроэнергии. Его часто называют коэффициентом мощности, потому что при правильной синусодиальности тока эти два значения оказываются идентичными. Этот параметр показывает какая часть из полной мощности активная, а какая реактивная. Если на предприятии нет проблемы с большим объемом конденсаторной нагрузки, реактивная мощность оказывается бесполезной, поэтому для большинства предприятий косинус фи (cos ϕ) важный параметр, на который необходимо обращать внимание при получении и оплате электрической энергии.

- оптимальная загрузка трансформаторов

При неоптимальной загрузке трансформаторов часть поступающей на предприятие электрической мощности расходуется на холостой ход. КПД недогруженных трансформаторов оказывается значительно ниже паспортных.

- проверка соединений электрических цепей

Для нормальной и экономичной эксплуатации электротехнического оборудования все соединения электрических сетей должны проходить ежеквартальную, а при возможности и ежемесячную проверку. Плохое электрическое соединение является источником повышенного переходного сопротивления – электрических потерь, а также причиной быстрого выхода из строя электрических контактов и может вызывать возгорание.

- обеспечение бесперебойности для чувствительного производства

Обеспечение бесперебойности – способ снижения потерь из-за выпуска бракованного продукта. В зависимости от допустимости перебоев электроснабжения все промышленные предприятия и производственные участки делятся на категории. На предприятиях, в которых прерывание технологических процессов может нести многомиллионные потери, рекомендуется обеспечить электроснабжение предприятия как потребителя особой категории. В этом случае, повышение расходов на электроэнергию в будущем скомпенсируется за счет снижения выпуска бракованной продукции.

- оптимальная загрузка существующего оборудования

Электросиловые установки, уже установленные на промышленных предприятиях, должны загружаться согласно паспортных данных. Недогруз электродвигателей на 10% не дает снижение электропотребления на такое же количество. Поэтому, снижение загрузки электрического оборудования ниже паспортных данных, с большой долей вероятности, потребует большего времени работы данного оборудования и суммарный объем потребленной электроэнергии окажется выше, чем будет при использовании установок при нормальном уровне загрузки.

- оптимальный подбор электропотребляющего оборудования с оправданным запасом мощности

При проектировании и строительстве новых производственных участков необходимо провести анализ и определить, какой режим работы будет иметь участок и какие технические параметры будут требоваться для электротехнического оборудования. В зависимости от полученных данных оборудование должно подбираться так, чтобы, с одной стороны, обеспечить необходимые технологические параметры в любой период работы, с другой стороны, быть максимально экономичными. Для достижения этих целей необходимо правильно определить экономически оправданный запас электрической мощности проектируемых установок и установить агрегаты с паспортной мощностью, максимально близкой к расчетному.

- использование частотно регулируемых приводов

Использование частотно-регулируемых приводов в зависимости от цели использования позволяет уйти от нескольких видов потерь:

1) потери за счет большой мощности существующего электросилового оборудования (тогда, когда эффект от лишней мощности гасится на следующих этапах);

2) потери из-за постоянного изменения параметров технологического процесса и невозможности существующего электрического оборудования реагировать на эти изменения (потери неравномерного потребления и пиковых расходов энергии);

3) иные потери из-за неуправляемости электрического оборудования.

Применение электрических двигателей с частотным преобразователем позволяет, во многих случаях, напрямую подстраивать производительность и параметры электропотребляющего оборудования под разные технологические нужды. За счет этого может быть получен эффект как за счет снижения суточного электропотребления, так и за счет повышения качества, а значит и цены, товара.

- контроль качества электроэнергии

Для поддержания высоких КПД электроиспользующего оборудования промышленных предприятий рекомендуется постоянно отслеживать следующие показатели качества электрической энергии (ПКЭ):

1) отклонение частоты δf;

2) установившееся отклонение напряжения δUу;

3) размах изменения напряжения δU1

4) дозу фликера (мерцания или колебания) Рt;

5) коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения КU

6) коэффициент п-й гармонической составляющей напряжения КU(n)

7) коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К2U',

8) коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности К0U;

9) глубину и длительность провала напряжения δUn , ∆tn;

10) импульсное напряжение Uимп;

11) коэффициент временного перенапряжения КлерU.

Отклонение любого из этих параметр снижает КПД электропотребляющего оборудования, срок их службы, повышает искажения измерительных приборов и повышает вероятность возникновения нештатных остановов и простоя.

Энергосбережение в системах теплопотребления.

Тепловая энергия, наравне с электроэнергией, занимает ведущую роль в общем объеме энергопотребления промышленных предприятий.

Тепловая энергия является двигателем и рычагом управления многими технологическими процессами, а также единственным способом создания комфортных рабочих условий для персонала.

- снижение расхода тепловой энергии, расходуемой на технологические процессы

В технологических целях тепловая энергия используется в теплообменниках, ректификационных, абсорбционных и других типах колонн, в реакторах с рубашкой и других аппаратах. В каждом отдельном аппарате теплопередающая поверхность имеет свою уникальную конструкцию. Но вне зависимости от конструкции, если руководство предприятия нацелено на эффективное и долгосрочное использование оборудования, все теплопередающие поверхности должны быть максимально чистыми от солевых, углеродных, полимерных и других наслоений. Все теплопередающие поверхности изготавливаются из материалов, обеспечивающих максимальную скорость теплообмена. Появление на теплопередающих поверхностях ржавчины, накипи, закоксовавшегося углерода и пека многократно снижают скорость теплообмена в технологических аппаратах. Результатом несвоевременной очистки теплообменников становятся снижение производственной мощности предприятия либо неоправданное увеличение количества технологического оборудования. Оба случая приводят к снижению выручки чистой прибыли предприятий.

Кроме чистых теплопередающих поверхностей, технологическое оборудование, потребляющее тепловую энергию, должно иметь:

- хорошую теплоизоляцию, т.к. плохая изоляция - прямой источник тепловых потерь;

- оптимальную материалоемкость, т.к. повышенные габариты — это всегда повышенные тепловые потери в атмосферу и потери на разогрев;

- правильно рассчитанные или подобранные величины технологических потоков, участвующих в теплообменных процессах;

- качественный теплоноситель (очищенная, обессоленная, деаэрированная вода или др.)

Все перечисленные выше пункты влияют не только на теплопотребление производственного предприятия, но и на объем и качество выпускаемой продукции.

Не смотря на простоту осязания, тепловая энергия является движителем многим сложных и наукоемких процессов и к ней необходимо относиться уважительно.

- снижение расхода тепловой энергии в системе отопления

Потенциал энергосбережения в системах теплоснабжения промышленных предприятий, несмотря на кажущуюся простоту устройства, остается достаточно высокой. Большие расходы, связанные со системой теплоснабжения могут появиться из-за нерациональных технических решений как на стадии проектирования, так и при дальнейшей эксплуатации.

Часто, на стадии проектирования допускаются такие ошибки как заниженный диаметр трубопроводов. Установка трубопроводов, диаметром меньше необходимого, приводит к завышенным гидравлическим сопротивлениям в сети при ее эксплуатации, электропотребление циркуляционных насосов в таких системах тоже повышается.

Следующими элементами, значительно влияющими на гидравлическое сопротивление теплосетей, являются запорно-регулирующая арматура и фитинги. Переходники и отводы с плавным изменением диаметра и направления потока теплоносителя могут незначительно нарушить эргономичность и визуальное восприятие, но дают возможность сэкономить на энергоресурсах и положительно скажутся на финансовых показателях предприятия.

Всем известно, что стальные трубопроводы систем теплоснабжения постепенно корродируют – на внутренней поверхности труб появляется слой ржавчины. Причиной этого неблагоприятного процесса является попавший в теплоноситель кислород. Кислород попадает в теплоноситель в местах неплотных фланцевых соединений, подсасывается в запорной арматуре и контрольно-измерительных приборах и во время добавления подпиточной воды. Для исключения роста затрат на эксплуатацию системы теплоснабжения необходимо подавать в теплосеть воду, прошедшую очистку не только от механических примесей и солей, но и прошедшую через деаэратор. По всей длине теплосетей должны устанавливаться автоматические воздухоотводчики и ручные краны-стравливатели газов.

Практика показывает, что для экономии средств на отопление предприятий целесообразно с периодичностью в 3-4 года проводить замеры расхода теплоносителя по разным контурам теплоснабжения. Часто бывает, что теплоноситель, не встречая высокого гидравлического сопротивления по одному из контуров, в большом количестве устремляется именно в этот контур и потребители других линий начинают замерзать. Показателем правильно настроенной гидравлической системы сети теплоснабжения должен быть сооизмеримый расход теплоносителя через идентичные приборы отопления в разных точках предприятия. Т.е. когда через радиаторы отопления двух произвольно взятых зданий проходит одинаковое количество теплоносителя.

Хочется также отметить, что убытки от неправильного строительства и эксплуатации систем теплоснабжения имеют неявный характер и могут не бросаться в глаза сразу. Для предотвращения ежегодного роста потребления электроэнергии циркуляционными насосами и исключения замерзания производственных зданий, рекомендуется все указанные выше аспекты учитывать на стадиях проектирования, строительства и ежедневного обслуживания тепловых сетей.

Потребляющие технологические газы, в том числе сжатый воздух.

Технологические газы, используемые в технологическом оборудовании, могут нести разные функции:

- участие в химических процессах;

- изоляция взрывоопасных и иных веществ;

- функцию перемешивания и транспортировки;

- функцию нагрева и охлаждения и др.

Большой потенциал энергосбережения имеют участки, на которых газы используются для перемешивания и транспортировки жидких и сыпучих материалов.

Часто, в установках, в которых используется сжатый воздух, потребляют газ в объемах, превышающих нормативные.

Крупными потребителями электрической энергии являются компрессорные установки. Многие предприятия используют компрессоры для сжатия атмосферного воздуха. Воздух примечателен тем, что его расход никак не влияет на экологическую обстановку и часто остается бесконтрольным. Из-за плохого регулирования расхода сжатого воздуха и невозможности, иногда упущения инженерно-технического состава предприятия, регулировать давление газа, компрессорные станции потребляют энергии значительно больше, чем могло быть.

Так по результатам обследования нескольких промышленных предприятий выяснилось, что большая доля сжатого воздуха используется не по назначению. Это связано, наверно, с тем, что у людей сформировывалось ложное мнение, что сжатый воздух ничего не стоит и его можно не экономить. На самом же деле 1 м3 сжатого воздуха в европейской части России стоит примерно 0,5 руб., в Северных районах и удаленных районах Сибири значительно больше, и ложится ощутимой статьей затрат на бюджет предприятия.

Также было обнаружено, что давления сжатия многих компрессоров значительно выше требуемых давлений. Из-за неоптимального подбора компрессоров по давлению, многие предприятия несут большие убытки.

Из-за перерасхода сжатого воздуха и совершения работы лишнего сжатия фактическое электропотребление большинства компрессорных станций оказывается на 30% больше практически достижимого. По самым скромным подсчетам убытки обследованных предприятий составили не менее 50 млн. руб./год.

Использующие оборотную и необоротную воду.

Наиболее часто для нагрева и охлаждения технологического оборудования используют очищенную воду – строят системы оборотного водоснабжения. При эксплуатации систем оборотного водоснабжения необходимо уделять должное внимание качеству воды. Статистика по промышленным предприятиям России такова, что большая часть компаний не уделяют должного внимания подготовке воды для оборотного водоснабжения и последующему поддержанию ее качества. Убытки связанные с недооценкой важности технологии водоподготовки носят скрытый характер. Ущерб начинает проявляться через 2-3 года, а максимальные затраты компания, которая построила систему водоснабжения нерационально, начинает нести в середине срока эксплуатации системы.

Вода используется на всех без исключения предприятиях и является еще одним видом потребляемых ресурсов.

При оценке эффективности использования водных ресурсов, необходимо уделять внимание доле объемов оборотного водоснабжения. Чем меньше воды покупается или добывается на технологические и иные нужды, тем больше средств экономит предприятие.

При оценке систем водоснабжения необходимо оценить эффективность работы насосных установок. Оптимальный процесс перекачивания воды тот, при котором насос используется при наибольшем КПД, т.е. гидравлическое сопротивление трубопровода, местные сопротивления после насоса и статический напор водопровода в сумме равны напору, при котором электрическое КПД насосной установки наибольший. Если руководство предприятия ставит цель использовать энергетические ресурсы эффективно, то должно исключить практику регулирования напора насосов прикрытием задвижек. Опыт показывает, что за счет правильного подбора напора насосных установок можно экономить до 30% электроэнергии.

В кольцевых системах водоснабжения большой потенциал энергосбережения (до 50%) может быть достигнут за счет определения фактического и поддержания потребного расхода воды, за счет установки насосов, максимально соответствующих требуемому расходу и напору. Так на одном предприятии было обнаружено, что 75% питательной воды, подаваемой насосом-питателем, возвращается обратно на всасывание насоса и циркулирует в постоянном режиме. После установки насоса требуемого напора и производительности, экономия электроэнергии составила 50% от первоначального.

Еще одним способом экономии в системах водоснабжения, график разбора в которых имеет непостоянный характер, является использование гидроаккумуляторов и напорных емкостей. В таких системах гидроаккумулятор и напорная емкость поддерживают давление в системе водоснабжения, благодаря чему насос включается только после разбора определенного количества воды. На одном предприятии Москвы, за счет установки гидроаккумуляторов, время работы насоса снизилось в 4 раза.

Использующие твердое, жидкое и газообразное топливо.

Энергетические установки, использующие в качестве топлива природный либо иной газ имеют более высокие КПД, чем котлы и печи на твердом и жидком топливе. При редуцировании газообразного топлива из магистралей среднего высокого давления необходимо задуматься, не экономичнее ли вместо клапана постоянного давления установить турбодетандерную установку и превращать в работу энергию, которую много километров от газоредуцирующей станции затратили компрессоры. В настоящее время, турбина с цельнолитым или разъемным рабочим колесом является относительно несложным конструктивным устройством - уже давно выпускаются турбореактивные двигатели размером со спичечную коробку. При установке турбодетандерных генераторов, большинство ГРС промышленных предприятий можно перевести на электрическое самообеспечение.

Еще один способ экономии при использовании газообразного топлива – поддержание нормального стехиометрического соотношения количества топлива и воздуха для горения – окислителя. Правильный расход воздуха можно подобрать, изменяя производительность дутьевых вентиляторов и замеряя состав отходящих дымовых газов. Для большинства газовых котлов и печей рекомендуемый коэффициент избыточной подачи воздуха составляет 5-6%.

При использовании жидкого топлива необходимо обратить пристальное внимание входному контролю качества топлива. Практика показывает, что некоторые поставщики дизельного и иного топлива не выдерживают нормальные показатели по составу топлива и, зачастую, жидкое топливо содержит низкосортные примеси. Это приводит к тому, что расход топлива значительно увеличивается, оборудование, рассчитанное под определенное качество топлива, выходит из строя раньше гарантийного срока. Поэтому, в рамках энергосбережения, на промышленных предприятиях целесообразно организовывать пункты оперативного контроля качества входного топлива с передачей данных энергетикам предприятия.

Твердое топлива в России больше всего используется в регионах, расположенных за Уралом. В Сибирских и Дальневосточных регионах часто можно увидеть дымовые трубы, покрывающие близлежащие площади обильным слоем выдуваемого твердого топлива. Это случается при использовании низкосортного мелкофракционного угля в топках слоевого сжигания, а также при неправильной подаче воздуха в зону горения котлов. При слоевом сжигании мелкофракционный уголь ложится относительно плотным слоем на колосниковую решетку и запирает пути доступа воздуха для горения. Объем воздуха, нагнетаемый вентиляторами находит менее плотные участки слоя угля и большим потоком устремляется через них, унося частицы мелкого несгоревшего угля. Черный дым из труб - не что иное как смесь продуктов неполного сгорания угля и вынесенных частиц топлива.

Твердое топливо, кроме уноса в дымовую трубу, может иметь большую долю несгоревшего углерода в шлаке и золе. Суммарный механический недожог мелкофракционного топлива может достигать более 20 %. Пятая часть топлива в этом случае выбрасывается в шлакоотвал и приносит дополнительные расходы без отдачи эффекта.

Для снижения недожога в твердотопливных котлах и печах можно применить технологию предварительного брикетирования топлива. Предварительное брикетирование – получение сортового топлива из низкосортного – топливного отхода.

Использование твердого топлива позволяет снизить унос топлива в дымовую трубу, минимизировать провал топлива сквозь решетку, обеспечить нормальный процесс горения. Это наиболее экономичный способ достижения проектных мощностей котельных со слоевым сжиганием топлива, первоначальное качество которого очень низкое.

Предварительное брикетирование мелкосортного каменного угля, кроме снижения затрат на энергоресурсы, снижает и необходимость выплаты штрафов за загрязнение окружающей среды. В последние годы это особенно актуально.

Обобщая перечисленные примеры хочется сказать, что без значительных капиталовложений и закупа новых технологий, промышленные предприятия можно оптимизировать за счет нетрадиционного подхода к вопросу энергосбережения. Энергосбережение нельзя рассматривать отдельно от технологических процессов - эффективность производства необходимо оценивать не только с позиции достижения количественно-качественных показателей выпускаемой продукции, но и с точки зрения энергоэффективности используемых технологий. На предприятиях, построенных более 15 лет назад большинство технологических процессов можно выполнять на 15-20% эффективнее, не снижая качество продукции. В зависимости от характера производства и технического совершенства промышленного предприятия, внедрение инновационных энергосберегающих мероприятий может дать от 5 до 30% экономии энергоресурсов.

Рекомендуемые инструменты были внедрены на промышленных предприятиях разного направления и показали свою универсальность.

Автор: Вячеслав Николаевич Игнатьев

Руководитель проекта по повышению операционной эффективности – энергосбережения

E-mail: v.n.ignatev@mail.ru